赤霉素调控根区亚低温下黄瓜幼苗氮吸收和代谢的分子生理机制

发布时间：2019-10-16 18:58

【摘要】：氮(N)素是植物合成氨基酸、蛋白质、核酸等含N有机物所需的大量元素,在植物的生命活动中发挥着极其重要的作用。冬春季节,设施内的亚低温甚至低温逆境致使作物生长发育迟缓。由于氮肥增产效果显著,且成本低,导致氮肥超量使用,引起蔬菜品质下降、资源浪费、土壤退化和环境污染风险增加等问题。因此减轻亚低温逆境对农作物的不利影响和减少氮肥使用量,对实现高效农业和可持续发展农业具有重要意义。本文以黄瓜(Cucumis sativus L.)为材料,研究了黄瓜幼苗生长对根区亚低温的响应,并利用生理学、分子生物学和药理学等技术手段,研究了赤霉素(GA)对根区亚低温下黄瓜N吸收和代谢的影响机理。主要研究结果如下:1.研究了根区亚低温对黄瓜生长和GA代谢的影响。结果表明,短期根区亚低温胁迫降低了黄瓜地上部和地下部的生物量,外源GA3可解除根区亚低温对黄瓜的不利影响。根区亚低温处理降低了内源GA4的含量。其原因是根区亚低温在基因表达水平上影响了GA代谢关键酶的活性。GA20氧化酶(GA20ox)和GA3氧化酶(GA3ox)基因的表达水平在根区亚低温下表达下调,而GA2氧化酶(GA2ox)基因的表达水平上调。说明根区亚低温通过(至少部分通过)调控GA代谢过程,减少活性GA的含量来抑制黄瓜生长。2.研究了GA3对根区亚低温下黄瓜根系吸收面积、N吸收速率和N积累量的影响。结果表明,根区亚低温显著减小了黄瓜幼苗的根系面积、15NO3-吸收速率和全株N积累量。GA3缓解了根区亚低温对根表面积、15NO3-吸收速率的抑制,使N积累量恢复到根区适温处理的水平。3.研究了根区亚低温下黄瓜幼苗N代谢酶活性、N代谢物含量的动态变化与GA3诱导的NRT基因表达和15NO3-吸收速率之间的关系。结果表明,GA3处理后根区亚低温下黄瓜的15NO3-吸收速率逐渐增大,CsNRT1基因的表达水平也逐步增多和升高。与此同时,NR、GS和GOGAT等N代谢酶活性及相应编码基因的表达也逐渐提高,而组织NO3--N含量和总游离氨基酸含量在短时间(4 h)内显著下降,随后又逐渐升高。利用N代谢关键酶的抑制剂钨酸钠、L-蛋氨酸砜亚胺、氮杂丝氨酸和氨氧乙酸分别提高内源NO3-、NH4+、Glu和Gln后,GA3对黄瓜根NO3-吸收的促进作用受到明显抑制。表明GA通过刺激生长,增强N需求,降低组织N营养水平,解除反馈抑制的间接方式调控根区亚低温下黄瓜的NO3-吸收。4.研究了外源GA3对根区亚低温下黄瓜叶片N代谢过程能量和碳(C)骨架流向的影响。结果表明:与根区适温处理相比,根区亚低温使黄瓜幼苗生长受抑,叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的光化学活性、光合放氧速率、CO2同化速率(Pn)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性等降低,单株C与N积累量的比值(C/N)升高了2.85%,向N代谢分配的能量减少了29.8%。根施GA处理缓解了根区亚低温对黄瓜生长的抑制,使叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的光化学活性、光合放氧速率、Pn、PEPCase和SPS活性等都有不同程度地提高,C/N值和N代谢分配的能量恢复至与根区适温处理相当的水平。说明根施GA3可以通过增强光能捕获和CO2同化能力,调节N、C代谢平衡,增加向N代谢方向的能量和C骨架供应,促进根区亚低温下黄瓜对N的吸收与代谢。
【图文】：

分根,根系,植株,细胞分裂素

和天冬酰胺（Asn）可抑制 AtNRT2.1 的表达，但谷氨酰胺（Gln）对其没有明显影响（Zhuo 等，1999）。在大麦中，Gln 则对 NRT2 的表达和 HATS 活性具有抑制作用（Vidmar 等，2000）。环境因子也可影响植物的 NO3--N 吸收。在拟南芥根系中，AtNRT 1.1 和 AtNRT2.1 在照光下（日间）的表达量高而黑暗下（夜间）的表达量低，表现出明显的昼夜变化规律；但通过外源蔗糖处理，可使夜间的表达水平与日间的表达水平相当（Lejay 等，1999）。这说明，NRT 基因表达的昼夜变化是由于日间和夜间光合产物供应不同所致（Lejay 等，1999）。另外，AtNAR2.1 的表达也受到光照和蔗糖处理的刺激（Krouk 等，2006）。温度也可影响根系 NO3--N 吸收。研究表明，角豆树（Ceratonia siliqua L.）幼苗根系 NO3-吸收速率随着根区温度（20 ℃、 30 ℃ 和 40 ℃）的升高增加（Cruz 等，1995）。土壤温度对植物根系 NO3--N 吸收的影响可能与其对根系的呼吸等生理过程的改变有关（Atkin 等，2000）。植物激素不仅调控植物的生长发育，而且对植物的 NO3--N 吸收也有调控作用（Gabriel 等，2011；Kiba 等，2011）。生长素可上调 AtNRT1.1 的表达（Guo 和 Crawford，2002），而抑制 AtNRT2.1的表达（Yinbo 等，2005）。脱落酸（ABA）也对 NRT 基因的表达有一定的影响（Kiba 等，2011）。有关细胞分裂素（CK）对植物 NRT 基因表达和 NO3--N 吸收的调控的研究最为深入。Kiba 等（2011）的试验结果显示，无论在高 N 还是低 N 条件下，外源 CK 均可抑制拟南芥根系中 AtNRT 基因的表达。图 1.1 显示了 CK 调控植物 NO3--N 吸收的机制：CK 作为表征植物组织氮素营养水平的信号，通过反馈抑制机制调控 NRT 基因的表达和 NO3--N 的吸收（Kiba 等，2011；Ruff

赤霉素,转化反应,黄瓜,蛋白

图 1.2 黄瓜 GAox 催化的赤霉素转化反应（Lange 等，2013）Fig. 1.2 Reactions catalysed by recombinant GA-oxidases in cucumber 赤霉素信号转导模型年来，利用遗传学方法和生化方法深入研究了 GA 信号转导途径（Jiang 和 Fu，200999）。在现已明确的 GA 信号转导途径中，，DELLA 蛋白是关键元件。DELLA 蛋白端含有保守的 DELLA 结构域的转录因子。在没有 GA 存在的情况下，DELLA 蛋白长发育相关的转录因子结合，阻遏植物的生长发育（Jiang 和 Fu，2007；Peng 等，stone 等，2001）。如图 1.3 所示，在有 GA 存在是，GA 受体 GID1 与赤霉素分子结ID1 复合体，在 GA 分子的诱导下，GID1 发生构象变化，在 N 端形成疏水表面，增A 蛋白的结合能力；接下来 GA-GID1 复合体与 DELLA 蛋白结合，形成 GA-GID1-；三聚体的形成又进一步促进了 DELLA 蛋白同 SCFSLY1/GID2（E3 泛素连接酶复，后者使得 DELLA 蛋白发生泛素化，进而被 26S 蛋白酶降解，最终解除 DELLA 导基因表达的抑制，完成 GA 信号的转导（Jiang 和 Fu，2007）。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S642.2

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