低植酸水稻籽粒植酸积累与结实特性的环境生态响应及其生理调控

发布时间：2016-12-23 11:02

  本文关键词：低植酸水稻籽粒植酸积累与结实特性的环境生态响应及其生理调控，由笔耕文化传播整理发布。

《浙江大学》 2015年

低植酸水稻籽粒植酸积累与结实特性的环境生态响应及其生理调控

苏达  

【摘要】：培育低植酸作物是改善作物营养品质和提高谷物籽粒中矿质微营养利用率的有效措施,但低植酸突变作物通常却表现出籽粒灌浆不良和籽粒饱满度较差的农艺性状特征,其优质与高产之间的矛盾相对较突出。因此,探明低植酸作物籽粒植酸含量的积累变化及其环境生态响应与作物产量形成间的生理联系,对于通过品种改良和栽培调控途径,协调低植酸作物的优质种性发挥与其籽粒灌浆充实间的矛盾、提高低植酸作物的产量水平和环境生态适应性,均具有较重要的理论和生产指导意义。为此,本文以辐射诱变的低植酸突变体及其对照野生型亲本为供试材料,利用人工控温处理、盆栽水培试验和稻穗离体培养等方法,对低植酸突变水稻在不同环境生态条件下的籽粒植酸含量变异及其与籽粒结实性状间的关系进行了探讨,并结合对植酸合成代谢关键酶基因的沉默和超表达,以及植酸合成代谢途径相关功能基因对不同外源磷浓度和碳／氮处理响应的转录表达分析,探讨了低植酸水稻籽粒植酸积累和结实性状特性的环境生态响应及其分子生态学机理。主要研究结果如下：1.高温胁迫是影响水稻育性和结实特性的主要环境因素之一。对低植酸水稻与其野生对照在不同温度处理下的籽粒植酸含量变化及其与结实率和千粒重间的关系分析表明,高温胁迫对低值酸突变水稻籽粒植酸含量和结实特性(结实率和千粒重)的影响程度要大于其野生对照；高温胁迫不仅会引起水稻糊粉层占籽粒总重量的相对比例和糙米植酸含量的显著增加,而且提升了精米部位的植酸含量,高温处理对水稻籽粒中的植酸积累量及其部位分布均有显著影响；在正常生长条件下,不同水稻品种的植酸含量高低与品种间的结实率和千粒重差异并无密切联系,但在高温逆境条件下,籽粒植酸含量中等偏高类型的水稻品种具有相对较好的高温结实特性。与野生对照相比,低植酸突变水稻对环境温度变化更敏感,其籽粒植酸含量和结实特性(结实率和千粒重)的生态稳定性也明显变差；适宜浓度的外源植酸喷施可在一定程度上缓解高温胁迫对水稻灌浆充实度的不利影响,但会引起籽粒植酸含量的同步提升,而高浓度外源植酸喷洒对水稻的高温结实性状影响不大,既不利于优质也不利于高产。 2.通过MIPS基因的沉默载体pTCK303-RiOsMIPS和超表达载体pTCK303-OeOsMIPS构建,以及农杆菌介导的遗传转化、纯合株系鉴定等工作,分别获得了MIPS沉默和超表达转基因水稻植株,对转基因阳性植株的荧光定量PCR检测和结果表明,MIPS沉默和超表达分别会引起水稻发育籽粒中靶基因(MIPS基因)的表达量下降48.5%或提高34.2%左右。与野生对照相比,MIPS沉默水稻籽粒中的植酸含量下降36.9%,MIPS超表达水稻籽粒中的植酸含量提高23.3%。此外,MIPS沉默和超表达对籽粒总蛋白、直链淀粉和蛋白组分(清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白)含量也会产生不同程度影响。其中,与野生对照日本晴相比,MIPS超表达籽粒中的总蛋白含量比日本晴对照增加34.0%,直链淀粉含量降低24.0%；MIPS沉默在抑制靶基因(MIPS基因)表达的同时,对水稻籽粒植酸合成代谢途径其它功能基因(如ITP5/6K-6和MRP)的表达量也产生抑制效应,但MIPS超表达对植酸合成代谢途径其它基因表达量的影响不甚明显；利用人工气候箱对转基因阳性水稻(包括MIPS基因沉默和超表达水稻)进行控温试验结果表明,MIPS沉默和超表达水稻籽粒中的RINO1基因在高温胁迫下均呈上调表达趋势,这与野生型对照在高温胁迫下的表达量变化趋势相似,但MIPS沉默水稻在不同温度处理下的植酸含量变化幅度相对更明显。 3.采用盆栽水培试验和稻穗离体培养相结合的试验方法,对不同磷浓度处理下水稻籽粒植酸、无机磷和总磷含量变化检测结果表明,水稻籽粒植酸、无机磷和总磷含量(相对含量)随外源磷处理浓度升高呈大致增加的趋势,磷处理对千粒重和单位籽粒中植酸积累量的影响则较复杂,但高磷浓度处理会导致水稻千粒重和籽粒植酸积累绝对量的显著降低；与此同时,随外源磷处理浓度的增加,水稻籽粒中的锌和铁元素含量呈较明显的下降趋势,说明高浓度的外源磷会导致水稻籽粒中锌、铁等矿质营养元素生物有效性的显著降低；外源磷处理对水稻籽粒植酸含量的影响与RINO1基因在不同磷处理下的相对表达变化存在较密切关系。其中,高磷浓度(12P)会抑制RINOI基因的相对表达量,但中磷浓度(3P)处理会诱导RINO1基因在水稻籽粒中的转录表达,揭示RINO1是外源磷处理对水稻籽粒植酸合成代谢过程调控的一个重要功能基因位点,而IPK2基因与水稻籽粒在不同磷浓度处理下的植酸含量变化无直接联系,可能与磷逆境胁迫诱导的信号代谢有关；IPK2在不同磷处理下的表达量变化与ITP5/6K-6存在一定程度的互补效应。 4.大田剪叶处理试验结果表明,减少源器官向库器官的光合同化产物供应量,不仅会引起籽粒灌浆充实度和千粒重的显著降低,而且对水稻籽粒中的植酸含量有较明显影响。与精米部位相比,剪叶处理对糙米部位植酸含量影响相对较明显；对稻穗离体培养条件下外源碳(C)、氮(N)浓度处理与水稻籽粒植酸、无机磷和总磷等理化指标之间的关系分析表明,水稻籽粒中的植酸含量(%)和总磷含量随外源碳(C)、氮(N)浓度增加呈下降趋势,且外源C处理对水稻籽粒植酸含量的影响要比N浓度处理效应更为明显。即,外源蔗糖处理浓度的提高会对水稻籽粒中的植酸积累量产生较明显的抑制效应。与此同时,水稻籽粒中的无机磷含量也有所降低。此外,外源C和N浓度处理对水稻籽粒中的锌和铁含量及其生物有效性也存在一定程度影响。利用荧光定量PCR对水稻灌浆籽粒中植酸合成路径相关基因在不同碳浓度处理下的表达量变化检测结果,外源碳(蔗糖)处理会抑制RINOI在水稻籽粒器官的转录表达水平,且IPK1、ITP5/6K-3、ITP5/6K-6、IPK2和MRP等基因也同时表现出较明显的下调表达特征,这可能是外源碳浓度增加引起水稻籽粒植酸含量降低的主要原因之一。

【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S511
【目录】：

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  本文关键词：低植酸水稻籽粒植酸积累与结实特性的环境生态响应及其生理调控，，由笔耕文化传播整理发布。

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