茉莉酸在水稻幼苗根系响应氮素过程中的调控作用

发布时间：2019-04-27 16:51

【摘要】：水稻是一种重要的粮食作物,近年来,水稻产量的提高很大程度上依赖于氮肥的大量施用。目前,我国氮肥施用量远高于世界平均水平,但是,2015年农业部制订了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,因此,研究氮素对根系形态建成的影响及根系形态改变对氮素吸收利用的影响是十分必要的。前人研究表明,氮素能够抑制根的伸长生长、促进根毛发生及伸长,茉莉酸也能抑制根伸长生长、促进根毛发生及伸长,但目前茉莉酸在水稻幼苗根系响应氮素过程的调控作用及其调控机理还不清楚,本实验利用野生型(日本晴)水稻及其转基因COI1-RNAi(COI1是茉莉酸受体)水稻作为实验材料,研究了铵态氮和硝态氮对水稻幼苗种子根伸长生长与根毛发生及伸长的影响,探索了茉莉酸在水稻幼苗种子根伸长生长与根毛发生及伸长响应氮素过程中的调控作用及其调控机理。主要实验结果如下:1.铵态氮(NH_4~+)抑制水稻幼苗种子根伸长生长,促进根毛的发生及伸长生长;硝态氮(NO_3~-)对水稻幼苗种子根伸长生长的影响不大,但也能促进根毛的发生及伸长生长。用不同浓度的NH_4~+和NO_3~-处理水稻幼苗,实验结果表明:低浓度(0.25 mM)的NH_4~+和NO_3~-都能抑制水稻幼苗种子根的伸长生长,并达到显著水平(P0.05),且NH_4~+对种子根伸长生长的抑制率(23.2%)大于NO_3~-(6.4%);随着氮浓度的增加,NH_4~+对种子根伸长生长的抑制作用越来越强烈,而NO_3~-对种子根伸长生长的抑制作用却不再增加,4 mM NH_4~+和4mM NO_3~-对种子根伸长生长的抑制率分别为61.1%和6.4%。NH_4~+与NO_3~-都能促进水稻幼苗根毛的发生与伸长,在一定浓度范围(0~4 mM)内,随着氮的增加,根毛密度及长度不断增加。2.NH_4~+诱导水稻幼苗根系茉莉酸含量升高,进而促进根系对铵态氮的吸收转运和同化;NO_3~-诱导水稻幼苗根系茉莉酸含量升高,进而促进根系对硝态氮的吸收转运和同化。用4 mM NH_4~+和4 mM NO_3~-分别处理水稻幼苗,结果表明:与对照缺氮处理相比,NH_4~+和NO_3~-都能诱导水稻幼苗根系茉莉酸合成关键酶基因表达,促进茉莉酸的合成,增加根系茉莉酸含量;NH_4~+诱导铵吸收转运同化相关基因表达上调,促进根系对NH_4~+的吸收转运和同化;NO_3~-诱导硝态氮吸收转运同化相关基因表达上调,促进根系对NO_3~-的吸收转运和同化。而在NH_4~+处理的同时,利用3μM茉莉酸合成抑制剂布洛芬(IBU)处理水稻幼苗,缓解了NH_4~+诱导的茉莉酸含量升高,缓解了铵吸收转运同化相关基因表达上调;在NO_3~-处理的同时,利用3μM IBU处理水稻幼苗,缓解了NO_3~-诱导的茉莉酸含量升高,缓解了硝吸收转运同化相关基因表达上调。3.NH_4~+诱导水稻幼苗根系茉莉酸含量升高,进而诱导根尖过渡区(根尖分生区与伸长区之间的一层细胞)细胞分化,使分生区长度变短,导致根长变短。4 mM的NH_4~+处理水稻幼苗,结果表明:与对照缺氮处理相比,NH_4~+诱导水稻幼苗根系茉莉酸含量升高;NH_4~+诱导Os IAA3(该基因能促进过渡区细胞分化为伸长区细胞)表达上调,促进根尖过渡区细胞分化;NH_4~+诱导根尖分生区长度减小,只有对照的48.5%,导致根长变短。而在NH_4~+处理的同时,利用3μM IBU处理水稻幼苗,消除了NH_4~+诱导的根尖分生区减小,消除了NH_4~+对根伸长生长的抑制。另外,与野生型相比,NH_4~+对COI1-RNAi水稻幼苗种子根伸长生长的抑制作用减弱,4 mM的NH_4~+分别处理野生型与COI1-RNAi水稻,结果表明,与对照缺氮处理相比,NH_4~+对野生型种子根伸长生长的抑制率是61.1%,而对COI1-RNAi种子根伸长生长的抑制率只有32.5%;在COI1-RNAi根中,OsIAA3的表达不受NH_4~+诱导,根尖分生区长度受NH_4~+的抑制作用减小。上述结果表明,NH_4~+通过促进茉莉酸合成,增加根系茉莉酸含量,促进根尖过渡区细胞分化,减少分生区长度,进而抑制根的伸长生长。4.NH_4~+和NO_3~-诱导水稻幼苗根系茉莉酸含量升高,进而促进根毛发生及伸长相关基因表达,促进水稻幼苗根毛的发生及伸长。4 mM的NH_4~+与4 mM NO_3~-分别处理水稻幼苗,结果表明,与对照缺氮处理相比,NH_4~+和NO_3~-诱导根系茉莉酸含量升高,根毛发生及伸长相关基因表达上调,促进根毛的发生及伸长;而分别在NH_4~+和NO_3~-处理的同时,利用3μM IBU处理水稻幼苗,抑制了NH_4~+和NO_3~-诱导的根毛的发生及伸长。此外,与野生型相比,NH_4~+和NO_3~-对COI1-RNAi水稻幼苗根毛发生及伸长的促进作用减弱,NH_4~+与NO_3~-不能诱导COI1-RNAi根毛发生与伸长相关基因表达上调,这进一步证实了根毛的发生及伸长生长与茉莉酸有关。上述结果表明,NH_4~+与NO_3~-通过促进茉莉酸合成,增加根系茉莉酸含量,进而促进根毛发生及伸长相关基因表达,促进根毛的发生与伸长。综上所述,本实验以日本晴及COI1-RNAi水稻为材料,发现茉莉酸参与NH_4~+抑制水稻幼苗种子根伸长生长过程的调控,参与NH_4~+和NO_3~-诱导水稻幼苗根毛发生及伸长过程的调控。深入探究发现,NH_4~+通过增加水稻幼苗根系茉莉酸含量,进而促进Os IAA3的表达,促进根尖过渡区细胞分化,使分生区减小,从而抑制水稻幼苗种子根伸长生长;NH_4~+与NO_3~-增加水稻幼苗根系茉莉酸含量,进而促进根毛发生及伸长相关基因表达,促进根毛的发生及伸长。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511

【参考文献】