大、小麦根系内多倍性差异对盐和磷胁迫的反应

发布时间：2017-12-24 12:28

本文关键词：大、小麦根系内多倍性差异对盐和磷胁迫的反应　出处：《浙江大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：内多倍体(即一个生物体内含多种倍性细胞)是植物中存在的普遍现象。内多倍性水平的增加有助于植株生长和发育,以及增加对环境胁迫的适应性。然而,内多倍性水平下降的现象却很少研究。至今,对内多倍性的研究主要集中在植物地上部分,而根系作为陆生植物从土壤中吸收水分和矿物质营养的重要器官却极少涉及,尤其是大、小麦等重要作物根系。根系的内多倍性水平研究有助于深入了解根的结构功能、活力水平以及根对不良环境的适应性机制。本文以大麦和六倍体小麦为主要材料,采用流式DNA分析技术,系统检测不同类型根和同一类型根不同区段的内多倍性水平以及基因组倍性、基因型差异、盐胁迫和低磷胁迫对内多倍性的影响。另外,分别收集低磷胁迫和正常磷浓度培养条件下植株的主根和侧根根尖成熟区材料用于RNA转录组测序和细胞周期相关基因表达水平的检测,探究内多倍性调节的分子机制。取得以下主要结果：1、大、小麦不同根组织和根不同区段之间存在内多倍性水平的差异。虽然大麦根不同区段之间内多倍性差异的变化趋势与六倍体小麦的相似,但大麦根不同区段的内多倍性均高于小麦相对应的部位。同时,无论是大麦还是六倍体小麦,侧根的内多倍化水平均低于主根和不定根,且主根和不定根成熟区部位的内多倍性水平高于根尖部位。2、为找出主要是由哪类细胞导致侧根和不定根内多倍性水平的差异,一方面通过组织切片观察大麦不同类型根成熟区细胞的形态和细胞核的大小及分布情况,另一方面手工分离皮层(含表皮细胞)和中柱用于倍性检测和标志基因的转录分析。显微观察发现,皮层和中柱细胞的细胞核大小不一致,呈无规律状态分布。标志基因HvHKT2;1主要在根皮层部位表达,而HvIPS2主要在中柱细胞表达,表明皮层和中柱的分离达到了预期的效果。倍性检测结果显示,在大麦不定根中,皮层的内多倍化水平明显高于中柱细胞；而在侧根,两者接近。尽管致使根成熟区具高内多倍化水平的高倍细胞在皮层和中柱均存在,但中柱细胞的内多倍性水平在侧根和不定根之间没有显著差异。此外,根表皮层细胞的倍性一般比皮层细胞低,因此导致侧根内多倍性低的原因主要源于皮层细胞。3、基于大麦和六倍体小麦之间根内多倍性的差异,检测了基因组倍性对内多倍性的影响。结果表明,在三种含不同基因组倍性的小麦物种中,随着基因组倍体的增加,内多倍性水平下降,表明内多倍化程度与基因组倍性之间呈一定的负相关性。因此,六倍体小麦具有的高基因组倍性,使它的内多倍性水平低于二倍体和四倍体小麦。此外,六倍体小麦的内多倍性水平低于大麦,也可能是因为它们同属于小麦族物种的缘故。4、为探究根内多倍性的调节是否与植物对环境胁迫的适应性有关,对根进行了两种胁迫处理。结果表明,中等浓度盐胁迫处理不影响大麦主根和侧根的内多倍化程度,但小幅度降低了不定根成熟区的内多倍性水平。同时大麦两个品种之间存在显著基因型差异。在主根根尖成熟区,主根基部以及不定根根尖的成熟区,Sahara品种的内多倍性水平显著高于Clipper。盐胁迫降低六倍体小麦的内多倍性,但两品种间(基因型)无显著差异。低磷胁迫显著降低大麦主根成熟区和侧根成熟区的内多倍性水平,但对主根根尖没有影响。另外,通过测量分析两种磷浓度下主根成熟区和侧根成熟区皮层和中柱细胞的大小,发现低磷胁迫引起的内多倍性的下降与细胞大小关系不大。总之,盐胁迫和低磷胁迫均能降低内多倍性水平,且这种胁迫效应具有根型特异性或根区段特异性。5、为探究主根和侧根之间的内多倍性差异以及磷胁迫下内多倍性水平下降的分子机理,检测了大麦植株根在低磷胁迫和正常生长条件下细胞周期相关基因的转录水平。与对照相比,磷胁迫处理使HvCYCA3;1在根的三个不同区段中的平均转录水平显著下降,但它不影响其它七个HvCYC基因的转录水平。无论是低磷处理还是正常生长条件下,八个HvCYC基因中有五个在大麦侧根的表达水平显著高于主根,说明侧根的低内多倍性源于细胞周期的多个时期受到了调控,且侧根和主根的核内周期调节方式也不同。另外,在磷胁迫下,HvCCS52A1和HvWEE1两个基因在侧根成熟区和主根成熟区的差异表达,进一步证明了主侧根内多倍性的调节机制不同。此外,RNA转录组测序结果显示,大麦主根和侧根之间内多倍性的差异受到细胞周期相关基因的调控,而磷胁迫处理引起的内多倍性的下降与已知的细胞周期相关基因的调控无直接关系,推测其机理可能与不同组织间的内多倍性调控机理不同,受到其它基因调控,有待进一步研究。总之,本研究结果为大、小麦等经济作物不同类型根和根不同区段内多倍性的差异提供了新的见解,同时证明了磷胁迫下根系存在内多倍性下降的现象。说明在植物生长发育和应对环境胁迫时,内多倍化水平的下降也是植物对胁迫适应性调节的一部分。因此,研究和了解根内多倍化现象的特点和调控机制对深入了解根系的功能具有重要意义。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q945.78

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