小麦幼苗对高铵胁迫响应的基因型差异及其生理机理

发布时间：2018-07-13 19:27

【摘要】：铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)是植物吸收的主要氮源。铵态氮是植物根系吸收的最为经济有效的一种氮素形式。铵态氮肥可以不经过还原直接被植物根系吸收和同化,需要的能量更少,还能减少因为土壤氮淋洗所造成的污染,因此采用铵态氮肥可能成为提高氮肥利用效率的关键。然而大部分陆生植物如小麦等,大多以硝态氮为营养,当暴露于过量的NH4+环境时,就会出现高铵胁迫症状。然而在一些农业和畜牧业密集的地区由于高水平的NH3挥发所导致大量的NH4+沉降日益严重,并且在作物生产中大量基肥的使用还有一些特殊的施肥方式比如条施、穴施等常常导致农田表层局部累积大量的铵态氮。但是目前还没有一种明确的理论能够阐明植物铵胁迫或植物耐铵的机理。本研究首先根据小麦不同铵浓度条件下的响应和不同基因型之间的差异,筛选出对高铵环境敏感性不同的小麦品种,然后分别从光合能力、铵的吸收、铵的同化和转化等几个方面研究小麦幼苗适应高铵营养的生理机制,本研究的结果会为探究耐高铵胁迫机理并且培育耐高铵品种提供理论依据。获得的主要结论如下:1.高铵胁迫下不同小麦品种生长具有显著差异。当铵浓度高于5mmol.L-1时,随着NH4+浓度增高,小麦的生长受到显著的抑制。以铵浓度为5mmol.L-1为筛选浓度,31个品种以小麦根干重,植株干重,叶面积,最大初生根长,最大次生根长作为筛选指标,经过聚类分析分为三类:高铵敏感型、中间型和耐高铵型品种。高铵敏感型以矮抗58为代表,中间型以鲁麦15为代表,而徐麦25为耐高铵型的典型性品种。2.高铵胁迫下耐性品种小麦根系生长受到的抑制程度较小。高铵处理显著降低了两个小麦品种的根干重;两个小麦品种初生根和次生根的总根长、根总表面积、根体积降低,且矮抗58的降低幅度大于徐麦25。根平均直径升高。两个品种的初生根的根尖数降低,但是次生根的根尖数升高。组织培养发现,高铵条件下两个品种的细胞生长变慢,并且分化受到影响,但是徐麦25具有较高的细胞生长速率。在高铵条件下,根中超氧阴离子产生速率及丙二醛含量升高较小,造成细胞膜脂过氧化程度小于矮抗58。另外,生长素运输载体表达受到抑制导致生长素从地上部分到根中的运输受到影响,GA合成减少,ABA合成增加进而抑制了根系的生长尤其是伸长生长,同时细胞分裂素合成增加,导致次生根数目增加,徐麦25较矮抗58能保持较好的急速平衡。另外,徐麦25能够保持根系中较高的C水平及较强的三羧酸代谢,进而维持了较高的提供根系生长的碳水化合物和能量,因此维持较高的根系生长。3.高铵胁迫下耐性品种小麦能够保持较高的光合能力。高铵胁迫下,小麦叶面积,净光合速率降低都显著下降且较徐麦25,矮抗58的降低幅度更大。较敏感品种,耐性品种保持了较高实际电子传递速率,光系统Ⅱ的光化学效率(ΦPsⅡ)和最大光化学效率(Fv/Fm),同时,耐性品种比叶重增加较小,能保持较高的气孔和叶肉导度,CO2进入叶绿体阻力较小。高铵胁迫下,尽管Rubisco酶的含量升高,但是活性降低,Rubisco活化酶基因RcaB和叶绿素a/b结合蛋白基因Cab相对表达下调。耐性品种可溶性糖含量及磷酸蔗糖合酶(SPS)活性降低幅度较小,维持较高的光合产物的输出能力。因此高铵胁迫下耐性品种小麦能够保持较高的光合能力,具有较高的植株生长。4.高铵胁迫下不同耐性品种铵吸收能力不同,在适应高铵胁迫的过程中,耐高铵品种对铵的亲和力和铵转运能力更低,具有更强的适应性。2个不同铵耐性小麦品种苗期根系对NH4+吸收的最大速率(Vmax)和亲和力(1/Km)有显著差异,表现趋势均为:矮抗58徐麦25。较硝态氮营养,铵态氮条件下铵转运载体AMT1. 1,AMT1.2和AMT2.1的表达均上调,同时随着铵浓度的升高AMT1.1和AMT2.1的表达受到抑制,但是AMT2.1的表达随着铵浓度的提高而升高。AMT1.1和AMT2.1在矮抗58中的表达高于徐麦25,但是AMT1.2的表达在两个品种间没有显著性差异。同时,铵同化产物谷氨酰胺对高亲和铵转运载体基因AMT1.1和AMT2.1的相对表达量下调起到关键作用,但是谷氨酸对其没有显著作用,表明了耐高铵品种在高铵胁迫条件下对铵离子的吸收较少,显示出了较为明显的适应性。5.高铵胁迫下耐性品种小麦具有较高的铵同化能力以维持细胞质内较低的游离铵水平。高铵条件下,耐性品种徐麦25细胞质内具有较低的游离铵含量,更高的GS和GDH酶活性及GS1、GS2和GDH基因在高铵胁迫条件下显著上调幅度更大,其铵同化能力更强。GOT和GPT活性在高铵胁迫条件下也显著升高,且在徐麦25中活性更高。用于NH4+同化的α-酮戊二酸和草酰乙酸含量在高铵胁迫下也显著降低,并且在矮抗58中的下降幅度大于徐麦25。同时PEPc和ICDH活性在高铵胁迫条件下显著提高,且徐麦25中的增幅更大。因此,高铵胁迫下,高铵耐受型品种苗期具有较高的碳架供应能力及较高的N同化酶的活性及表达,因此N同化能力更强,同时其较高的转氨能力保证了 N代谢的顺利进行,因此可以维持细胞质较低的游离铵水平,避免了较高的铵离子的伤害。6.高铵胁迫下铵同化产物的过量积累也是造成高铵胁迫的原因,耐高铵品种具有较高转氨能力可以显著缓解铵同化产物对于小麦生长的抑制。高铵胁迫处理显著降低了两个小麦品种的植株干重、总根长、根表面积和根体积,但是徐麦25受到的影响较少,但是当加入MSO后,抑制作用减弱,加入谷氨酸后抑制作用进一步加强。高铵胁迫条件下,两个品种中谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性显著增加,GS1和GDH基因表达显著提高,但是GS2的基因没有显著影响,因此导致铵同化产物谷氨酸的增加,但是加入MSO后降低谷氨酸的含量。与矮抗58相比,徐麦25因为具有较高的谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)活性,因此谷氨酸含量较低。高铵胁迫降低了根系中生长素(IAA)的含量,同时使生长素在地上部分和根的比值升高,但是徐麦25中的比值低于矮抗58。而加入谷氨酸后比值进一步升高,但是加入MSO后比值降低。生长素转运载体PIN1基因的表达在高铵胁迫条件下受到显著抑制,加入谷氨酸后进一步抑制了 PIN1的表达,但是加入MSO后PIN1N的抑制程度得到缓解。同时高铵胁迫条件下,可溶性糖含量以及其在根中和地上部分的比值显著降低。结果表明,高铵耐性品种具有较高的氨基转化能力以减少谷氨酸的过量积累,从而保持较高的生长素运输能力,进而促进可溶性糖从地上部分向根系的运输,维持较高的根系生长。7.根际酸化会降低小麦对高铵的耐性。高铵胁迫处理显著降低了两个品种植株的干重,增加了体内谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性。根际pH的降低进一步增加了两个品种体内的游离NH4+,但是耐铵品种中游离NH4+含量的增加较低,GS和GDH的活性的降低较少。两个品种的净光合速率、PSII有效光化学效率和最大光化学效率较硝态氮显著降低,并且在高铵敏感型品种中的降低幅度显著高于耐铵型品种。同时,随着pH的降低,两个品种逐渐降低,尤其对于敏感品种。可溶性糖含量及可溶性糖的根冠比显著降低,蔗糖磷酸合酶活性也显著降低,并且在敏感品种中降低幅度更大。两个品种中地上部分和根中生长素含量较硝态氮显著降低,并且在高铵敏感型品种中的降低幅度显著高于高铵耐型品种。随着pH的降低,生长素和细胞分裂素含量逐渐降低,高铵敏感型品种下降更加明显,根中细胞分裂素含量较硝态氮显著升高。因此高铵胁迫对小麦的生长的抑制会被根际酸化所加强。耐铵型品种较敏感品种更耐酸,并表现出更强的耐铵性,原因在于耐铵型品种在低pH的条件下具有较强的N同化酶活性,较高的光合能力以维持较高的C的水平,因此有更强的N同化能力,维持了体内较低的游离NH4+浓度,同时维持了激素的平衡。
[Abstract]:Ammonium nitrogen ( NH 4 + ) and nitrate nitrogen ( NO 3 - ) are the main nitrogen sources for plant absorption . The results showed that the content of Rubisco activase gene RcaB and chlorophyll a / b decreased significantly . The expression of AMT2.1 and AMT2.1 increased significantly in the presence of high ammonium stress , but the expression of AMT2.1 and AMT2.1 was higher than that of Xumai 25 . The effect of high ammonium stress on the growth of wheat was significantly lower than that of high ammonium salt .
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S512.1
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本文编号：2120497