水稻茎鞘非结构性碳水化合物积累转运和颖果韧皮部卸载机理

发布时间：2020-11-16 19:50

　　 茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)是水稻籽粒灌浆的同化物来源之一,对产量形成有重要贡献。促进茎鞘NSC的积累和转运,改善弱势粒灌浆是挖掘水稻产量潜力和提高产量的重要途径。然而,不同水稻品种茎鞘NSC积累和转运存在显著差异,生产上部分品种茎鞘NSC转运低,籽粒灌浆结实不良,并且高氮条件下水稻茎鞘NSC转运低;此外,水稻弱势粒灌浆差,限制了产量潜力的发挥。因此,本试验主要研究了不同氮水平下水稻茎鞘NSC积累和转运特征及蔗糖-淀粉转化相关酶活性、强弱势粒灌浆特征和籽粒韧皮部卸载特征,目的在于阐明茎鞘NSC积累和转运差异、强弱势粒灌浆差异和籽粒同化物卸载的生理和分子机理,为高产栽培和育种提供理论依据,对保证我国粮食安全具有十分重要的意义。基于上述研究目的,本研究的主要内容是:(1)水稻叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因表达和活性与植株同化物积累和产量形成的关系;(2)氮对水稻茎鞘蔗糖-淀粉转化相关酶活性的影响及其与茎鞘NSC积累和转运的关系;(3)水稻穗颈大、小维管束特征的基因型差异及其与茎鞘NSC转运的关系;(4)水稻茎鞘NSC转运与籽粒同化物卸载的基因型差异及其生理和分子机理;(5)水稻强弱势粒灌浆差异及其生理和分子机理。主要结果和结论如下:1.水稻品种两优培九(LYPJ)、汕优63(SY63)和黄华占(HHZ)幼穗分化至抽穗不同阶段叶片所有SPS基因(OsSPS1、OsSPS2、OsSPS6、OsSPS8和OsSPS11)的相对表达量均随植株生育进程推进而下降;SPS活性的变化趋势与其基因表达的一致。与高氮处理相比,低氮处理下SPS基因表达和活性增加。相关分析表明,SPS基因的相对表达量和SPS活性均与叶片NSC浓度显著正相关;叶片OsSPS1表达和SPS活性状态均与每穗颖花数和籽粒产量显著正相关;叶片OsSPS2、OsSPS6和OsSPS8的表达均与结实率和千粒重显著正相关。因此,适当减少氮肥施用有利于提高SPS基因表达和活性,进而增加植株NSC积累和促进产量形成。2.水稻茎鞘NSC积累和转运表现出基因型差异且受到氮供应水平的影响,低氮处理增加了抽穗前茎鞘淀粉和NSC浓度,加速了抽穗后茎鞘淀粉水解,促进了茎鞘NSC转运。同时,低氮处理缩短了强势粒有效灌浆期,提高了其灌浆速率。进一步分析表明,低氮处理增加了花前茎鞘淀粉合成相关的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性以及花后茎鞘淀粉向蔗糖转化相关的α-淀粉酶、β-淀粉酶和SPS的活性,并且这些淀粉合成相关酶活性与茎鞘NSC浓度的增加显著正相关,淀粉向蔗糖转化相关酶活性与茎鞘淀粉和NSC转运显著正相关。与LYPJ相比,SY63的茎鞘淀粉和NSC的积累与转运高,并且上述淀粉合成和淀粉-蔗糖转化相关酶的活性均高于LYPJ。由此可见,高的茎鞘NSC积累与转运主要归因于较高的茎鞘淀粉-蔗糖转化相关酶活性。在生产上适当降低氮肥用量,有利于茎鞘NSC转运进而促进籽粒灌浆。3.源于珍汕97和明恢63重组自交系的4家系材料R46、R94、R118和R232穗颈大、小维管束数量和总横截面积表现出基因型差异。维管束特征的基因型差异主要表现在大、小维管束数量上,不同材料穗颈大、小维管束的平均横截面积及其韧皮部面积分别占其横截面积的比值均没有差异。不同氮处理对穗颈大、小维管束数量、平均横截面积、总横截面积和总韧皮部面积没有影响。穗颈维管束数量与茎鞘NSC转运、结实率、千粒重和产量正相关,相关系数表明小维管束与茎鞘NSC转运更加密切,大、小维管束韧皮部的功能差异可能是造成他们对产量贡献差异的原因。因此,在育种上选择穗颈维管束多且小维管束多的品种或采用栽培管理技术增加穗颈维管束的数量有利于促进茎鞘NSC转运和产量形成。4.源于珍汕97和明恢63的重组自交系家系R91、R156和R201的茎鞘NSC转运具有显著差异。R201的茎鞘NSC转运显著低于R91和R156,并且R201的结实率、收获指数和产量均显著低于R91和R156。从源-流-库相关性状分析表明,三个家系具有相同的叶面积指数、比叶重、抽穗期茎鞘NSC浓度、生物量、单位面积穗数、每穗颖花数、茎鞘NSC活化能力、库容量、库活性、穗颈小维管束数量和横截面积,而R201具有较高的叶片SPAD、穗颈大维管束数量和横截面积。另外,R201成熟期茎鞘和枝梗NSC浓度显著高于R91和R156。这些结果表明,源-流-库相关性状不是导致R201茎鞘NSC转运低的原因,籽粒NSC卸载过程存在障碍可能是主要原因。5.进一步研究发现R201灌浆期籽粒背部韧皮部筛管、伴胞与其周围薄壁细胞间的胞间连丝密度低于R91和R156,同时利用羧基荧光素二乙酸(CFDA)染料模拟韧皮部共质体运输发现R201籽粒韧皮部共质体卸载较弱。对三个材料灌浆期籽粒蔗糖转运蛋白(SUT)和细胞壁转化酶(CWI)的免疫印迹、免疫组化和基因表达分析表明,R201籽粒SUT和CWI基因和蛋白的表达低于R91和R156,同时R201籽粒CWI酶活性较低,表明其质外体卸载较弱。由此可见,灌浆期R201籽粒蔗糖卸载障碍导致其茎鞘NSC转运低,进而造成其结实率、收获指数和产量低。6.杂交稻LYPJ和SY63强、弱势粒灌浆差异显著,弱势粒灌浆启动慢、有效灌浆期长、平均灌浆速率低,最终导致其粒重和结实率显著低于强势粒。不同氮处理对强、弱势粒的粒重和结实率没有影响。高氮处理延长了强势粒和弱势粒有效灌浆期,同时降低了其灌浆速率。进一步研究表明,一方面强势粒枝梗的横截面积、总维管束面积和总韧皮部面积大于弱势粒。另一方面,强势粒背部韧皮部细胞间胞间连丝密度、CFDA模拟的共质体卸载速率、SUT和CWI基因和蛋白表达和CWI活性高于弱势粒,表明强势粒韧皮部蔗糖卸载能力强于弱势粒。此外,籽粒转录组测序分析表明与粒型、粒重和籽粒灌浆及蔗糖水解和淀粉合成相关的基因、脱落酸合成相关的基因在强势粒中的表达均高于弱势粒,乙烯合成相关的基因在强势粒中的表达低于弱势粒。由此可见,强势粒具有较大的枝梗维管束面积、较强的韧皮部卸载和蔗糖-淀粉转化能力等是导致其灌浆强于弱势粒的原因。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S511
【部分图文】：

图 1 淀粉的生物合成和水解糖；1-P-G，1-磷酸葡萄糖；ADPG，腺苷二磷酸葡萄糖；α-1,4 Gn和 α-1Fig. 1 Starch biosynthesis and decompositionhosphate; 1-P-G, glucose-6-phosphate; ADPG, adenosine diphosphate glucosGn+1, water-soluble polysaccharide非结构性碳水化合物的转运过程 向籽粒转运的第一步是淀粉水解和蔗糖再合成，合成的粒中，依次是：茎鞘韧皮部装载、韧皮部长距离运输和非结构性碳水化合物转运的生理基础后茎鞘 NSC 主要以蔗糖形式通过韧皮部网络向穗部转

华中农业大学 2018 届博士研究生学位论文6图2 韧皮部装载途径图中 表示蔗糖； 代表棉子糖； 表示水苏糖；B中 表示质膜上的转运蛋白（李国辉和崔克辉 2014）Fig. 2 The pathway for phloem loading of sucrose, sucrose; , raffinose; , stachyose; , sucrose transporter第二种装载机制即质外体装载。蔗糖在载体协助下跨膜进入细胞间隙，再跨膜进入 SE-CC（图 2B）。该过程中，蔗糖是从浓度较低的质外体进入浓度较高的筛管细胞质体内的逆浓度梯度转运，需要消耗能量(Giaquinta 1979)。蔗糖转运蛋白（SUT）是蔗糖质外体转运过程中的重要载体，蔗糖在 SUT 的参与下运输到韧皮部SE-CC(Sauer 2007)。第三种装载机制聚合物陷阱是一种特殊的共质体装载形式（图 2C）。具体过程是蔗糖先转化为水苏糖和棉子糖等低聚糖，低聚糖可以通过较大的胞间连丝不可逆地进入筛管，从而实现韧皮部蔗糖装载(Rennie and Turgeon 2009, Eom et al 2012)。植物韧皮部不同装载途径和各途径对同化物运输的贡献会受到生育进程、环境条件以及基因型的影响而发生适应性改变，从而保证植株体内蔗糖运输通畅(Slewinski et al 2009, Gil et al 2011, Lemoine et al 2013)。3.3 韧皮部长距离运输维管束系统是连接水稻茎鞘和穗部的运输组织

图 3 水稻穗颈节大、小维管束的形态及分布示意图（未发表资料）图 A 放大 4 倍； 图 B 放大 400 倍Fig. 3 Morphology and distribution of large and small vascular bundles in peduncle of ric(unpublished data)A, magnified 4 times under a microscope; B, magnified 400 times under a microscope

本文编号：2886588