铵硝营养缓解小型大白菜幼苗弱光胁迫的生理和分子机制

发布时间：2017-12-18 03:33

  本文关键词：铵硝营养缓解小型大白菜幼苗弱光胁迫的生理和分子机制

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【摘要】：小型大白菜(Brassica pekinensis)是高原夏菜主栽品种之一,生产中常易遭受各种弱光逆境。弱光作为限制作物产量和品质的主要因子之一,普遍存在于设施栽培条件下,因此,本研究结合光照强度与铵硝配比探讨不同光照强度下小型大白菜幼苗最佳铵硝配比,以及适宜铵硝配比缓解小型大白菜幼苗弱光胁迫的生理和分子机制,以期为小型大白菜苗期弱光下的生长调控提供理论依据和技术指导。采用水培的方法,研究了正常光(200μmol·m~（-2 ）s~（-1）)和弱光(100μmol·m~（-2 ）s~（-1）)下营养液中不同铵硝配比(0:100、10:90、15:85和25:75;总N浓度为5 mM)对小型大白菜幼苗生长和生理生化特性的影响,并从相关基因相对表达量和差异蛋白组学方面深入探究其调控机理。主要得出以下结果:(1)处理14 d后,正常光下,铵硝配比15:85处理植株长势最佳,较全硝态氮处理叶面积、长幅、鲜重和干重分别显著提高了33.8%、30.5%、77.9%和72.9%,植株根系发达。弱光抑制了小型大白菜幼苗的生长,植株叶面积、长幅、干鲜重和根系均弱于正常光下生长的植株。然而,铵硝配比10:90处理较全硝态氮处理相比,植株叶面积、长幅、鲜重和干重分别显著提高了20.4%、14.9%、55.9%和36.5%,根系形态参数也显著高于其他各处理。评估生物量和铵硝配比之间的相关性发现,正常光(200μmol·m~（-2 ）s~（-1）)下获得最大生物量所需施入铵硝配比范围为0.206-0.226;弱光(100μmol·m~（-2 ）s~（-1）)下获得最大生物量所需施入铵硝配比范围为0.14-0.181。(2)正常光下,铵硝配比15:85较全硝处理相比,植株具有完整的叶绿体结构和较高的基粒片层垛叠程度,较大的气孔开张比和开张度、较高的叶绿素含量和叶绿素荧光参数(Fv/Fm、ΦPSII、qP、Pm、α和Ik)、较高的光合酶(Rubisco、GAPDH、FBPase、FBA和TK)活性和编码这些酶的基因(rbcL、rbcS、FBPase、FBA和TK)相对表达水平,最大的净光合速率(Pn)和光合产物(可溶性糖和淀粉)。弱光下,单一的硝态氮处理或者高浓度的铵态氮处理叶绿体细胞出现皱缩变形、细胞分离等现象,基粒片层解体,垛叠程度降低,出现较多的嗜饿颗粒。然而,铵硝配比10:90能够维持细胞的正常结构和较高的基粒垛叠程度,有效地缓解弱光对叶绿体结构造成的破坏。弱光降低植株叶片的气孔密度、气孔开张比和开张度,但铵硝配比10:90能够显著提高叶片的气孔开张比和开张度。弱光下,铵硝配比10:90和15:85处理的植株叶片较正常光下叶绿素含量增加,叶绿素a/b降低,更利于吸收弱光。而且,铵硝配比10:90和15:85能不同程度地消减弱光对Fv/Fm、ΦPSII、qP、Pm、α和Ik的抑制作用。弱光降低植株的净光合速率,但铵硝配比10:90处理能够通过提高光合酶活性和编码光合酶基因的相对表达量,来消减弱光对光合的抑制效应,增加叶片中光合产物的积累。(3)弱光下小型大白菜幼苗叶片mda、O_2、H_2O_2含量明显升高,植株遭受膜脂过氧化程度较高。然而,铵硝配比10:90处理较单一硝态氮和较高浓度的铵态氮,能够显著提高叶片的可溶性糖和可溶性蛋白含量及sod、pod、cat和apx酶活性,降低叶片中mda和活性氧自由基的含量,有效地抑制了细胞膜的脂质过氧化,更有利于小型大白菜幼苗的生长。(4)正常光下,铵硝配比15:85处理的植株具有较高的氮、磷、钾和全碳含量,且nr和gs活性也达到最大值。nr基因相对表达水平在铵硝配比25:75处达到最大值,gs基因相对表达水平在铵硝配比15:85处达到最大值。不同铵硝配比对碳氮比无明显影响,弱光不同程度地降低了全碳、碳氮比、nr、gs活性以及nr和gs基因相对表达量,但是铵硝配比10:90处理的植株氮磷钾和全碳含量最高,而且能够消减弱光对叶片碳氮比的抑制作用,提高植株叶片nr和gs的活性。nr基因在铵硝配比10:90处理下表达上调,然而植株叶片gs基因在铵硝配比15:85和25:75处理下表达上调。此外,对植株叶片中no含量和根系根尖no定位研究发现,弱光降低植株叶片中no含量,减弱根尖中no荧光强度,适宜的铵硝配比能够增加叶片no含量和根尖no荧光强度。(5)对正常光下全硝和最佳铵硝配比15:85,弱光下全硝和最佳铵硝配比10:90处理的小型大白菜幼苗叶片进行了差异蛋白质组学分析,鉴定出36个差异蛋白,按功能分为光合作用(19.44%)、碳代谢与能量代谢(13.89%)、转录和翻译(19.44%)、氨基酸代谢(2.78%)、蛋白折叠、修饰和降解(16.67%)、胁迫和防御响应(11.11%)、信号转导(5.56%)、细胞生长/分裂(2.78%)、代谢(2.78%)和未知蛋白(5.56%)等10类。这些差异蛋白主要定位于叶绿体(63.9%)、细胞质(13.9%)、液泡(8.3%)和细胞核(8.3%)中。与光合相关蛋白中,只有1个蛋白表达量在弱光全硝处理下下调,其余6个蛋白表达均上调,且相同光照下加铵处理的上调幅度要大于全硝处理。说明弱光下适宜的铵硝配比能增强植株叶片中与光合相关的蛋白表达量,进而提高植株光合作用。5个与碳代谢和能量代谢相关蛋白表达均上调,它们主要参与淀粉合成、atp水解和糖酵解过程,表明弱光下适宜的铵硝配比能够增强植株的碳代谢和能量代谢,推断其主要通过atp水解和糖酵解的过程产生能量来缓解胁迫所造成的能量短缺。4个胁迫和防御相关的蛋白中,有3个表达上调,1个表达下调,说明弱光下适宜的铵硝配比能够增强植株叶片的抗氧化能力。1个参与氨基酸代谢的蛋白表达上调,说明弱光下适宜的铵硝配比能够增强植株的氨基酸代谢。参与转录与翻译和蛋白质折叠、修饰和降解过程中的13个蛋白中,有6个在弱光全硝处理后表达下调,有7个表达均上调,且加铵处理下的上调幅度大于全硝处理,表明弱光胁迫后叶片的蛋白质合成、折叠、修饰与降解等过程受阻,但是适宜的铵硝配比能够通过增强相关蛋白的表达来缓解这种抑制效应。
【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S634.1
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本文编号：1302663