Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 干旱胁迫下植物生长调节剂对羊草生长及生理特性的影响与转录组分析 | |
| 宋吉轩 | |
| 出版年 | 2017 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 王三根 |
| 学位授予单位 | 西南大学 |
| 中文摘要 | 羊草(Leymus chinensis)是一种多年生根茎类植物,营养丰富,适口性好,主要分布在俄罗斯、蒙古、朝鲜等国家及我国的内蒙古东部,东北和西北等地区,是草原重要的建种牧草之一;近年羊草的分布范围有向南扩展的趋势。随着全球气候的变化,特别是干旱及盐碱等不利因素的影响,严重的干旱会使其正常的生长发育受到限制,甚至导致植株死亡。本文通过野外试验与室内实验相结合,利用植物生长调节剂与叶面营养对干旱胁迫下羊草生长、生理生化等反应进行研究,同时借助转录组技术,探讨羊草适应不良环境的生理与分子机制,为在生产上采取切实可行的技术措施,调控植株生长,恢复草原羊草生产力的决策提供参考,也可为其他牧草作物的栽培育种提供有价值的信息。主要研究结果如下:1.野外条件下植物生长调节剂对羊草生长及生理特性的影响在实验室用十多种植物生长调节剂处理羊草,初步筛选出效果较好的试剂,连续两年在锡林郭勒野外自然环境下,采用不同浓度的萘乙酸(NAA)、6-苄氨基腺嘌呤(6-BA)、油菜素内酯(BR)、赤霉素(GA_3)和5-氨基乙酰丙酸(ALA)等植物生长调节剂对围栏的天然草原退化恢复样地进行叶面处理,以等量的清水作为对照(CK),探讨其对羊草生长及生理特性的影响。(1)野外研究结果表明,多种适当浓度的植物生长调节剂处理,均有促进羊草的生长、改善生理状况的作用,其中以BR和ALA效应最显著。(2)植物生长调节剂处理后羊草植株的株高、鲜重和干重等生长指标与CK相比均有不同程度增加,其中株高、鲜重和干重以喷施ALA(50.0 mg/L)时达到最大值;五种植物生长调节剂分别对羊草的光合色素的含量产生了影响,不同程度的增加了其叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总光合色素的含量,以喷施ALA(50.0 mg/L)时叶绿素a、叶绿素b和总光合色素达到最大值,并与CK相比差异显著;适当浓度的植物生长调节剂处理后,羊草可溶性糖、可溶性蛋白及游离氨基酸均有增加,变化趋势跟形态指标一致,可溶性糖和游离氨基酸以喷施ALA(50.0 mg/L)时达到最大值,而可溶性蛋白达到最大值则为喷施BR(0.20 mg/L);植物生长调节剂对羊草的几种抗氧化酶的活性均有一定影响,变化趋势与形态指标相似,超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽还原酶(GR)在羊草喷施ALA(50.0 mg/L)时活性达到最大值,而过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性达到最大值则为喷施BR(0.20 mg/L)。(3)综合分析,ALA(50.0 mg/L)和BR(0.20 mg/L)两个处理浓度对羊草的作用效果最好,建议在野外干旱环境下可用适当浓度的BR和ALA调节羊草生长,提高其抗逆性;并以此作为室内模拟干旱胁迫试验的依据,进一步开展更深入的研究。2.干旱胁迫下植物生长调节剂与叶面营养对羊草生长的影响在盆栽干旱胁迫下,采用不同浓度的BR、ALA以及BR或ALA与叶面营养配合分别处理羊草,探讨其对羊草生长的影响。结果表明:不论单施或混施,适当浓度的处理均可促进羊草的生长,增加其株高、鲜重、干重和根系活力等指标;但植物生长调节剂与叶面营养配合处理的效果更显著。(1)单独用BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0 mg/L)处理时,各个指标均达到最大值。比较两种调节剂的增加幅度,株高和根系活力以喷施BR(0.10 mg/L)时效果最好,而鲜重和干重以喷施ALA(50.0 mg/L)效果最好。(2)当BR或ALA与叶面营养混施时,对羊草的促进效应更为明显,其中以尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)或尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)时各个指标达到最大值。比较两种处理的增加幅度,株高以喷施尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)时效果最好,而鲜重、干重和根系活力以喷施尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)效果最好。3.干旱胁迫下植物生长调节剂与叶面营养对羊草光合特性及叶绿素荧光特性的影响研究表明,植物生长调节剂提高羊草抗旱性与其保护光合机构、维持光合效率密切相关。(1)在干旱胁迫下,采用不同浓度的BR、ALA以及BR或ALA与叶面营养处理羊草,试验结果表明:羊草的光合色素在适当的处理后均得到增加。单独喷施BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0 mg/L)时各个指标达到最大值,其中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b和类胡萝卜素增加幅度以喷施BR(0.10 mg/L)最大。在干旱胁迫下,BR或ALA与叶面营养配合时,以尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)或尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)的处理各个指标达到最大值;比较两种处理的增加幅度,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b和类胡萝卜素均以喷施尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)效果最好。(2)随着干旱胁迫程度的加重,羊草的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、瞬时羧化效率(CUE)和光能利用率(SUE)值下降,水分利用效率(WUE)先增加后降低,胞间CO_2浓度(Ci)一直增加,采用BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0mg/L)处理后,Pn、Gs、蒸腾速率(Tr)、CUE、SUE、WUE和气孔限制值(Ls)增加,而Ci降低。随着干旱程度的加重,羊草植株初始荧光(Fo)先降低后增加,最大荧光(Fm)、PSII原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在活性(Fv/Fo)和光系统Ⅱ有效量子产额(φPSⅡ)一直降低,采用BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0mg/L)处理后,Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和φPSⅡ基本都有所增加。4.干旱胁迫下植物生长调节剂与叶面营养对羊草渗透调节物质的影响采用不同浓度的BR、ALA、BR或ALA与叶面营养配合处理羊草,结果表明:植物生长调节剂增强羊草抗旱性的作用与其缓解膜脂过氧化作用、提高渗透调节物质含量、改善细胞渗透调节能力相关联。(1)干旱胁迫下羊草膜脂过氧化产物丙二醛与细胞电导率升高,而通过BR或ALA处理后其丙二醛和叶片电导率与干旱胁迫CK2相比均降低,渗透调节物质脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖增加。当喷施BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0 mg/L)时,丙二醛和叶片电导率下降最低,脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖增加达到最大值,比较BR与ALA的喷施效果,丙二醛和叶片电导率下降最多和脯氨酸增加最多的为BR(0.10 mg/L),而可溶性蛋白和可溶性糖增加最多为ALA(50.0 mg/L)。(2)当喷施尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)或尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)时,丙二醛和叶片电导率下降最低,脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖增加达到最大值,比较BR、ALA与叶面营养的喷施效果,丙二醛和叶片电导率下降最多的为尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0mg/L),脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖增加最多为尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)。5.干旱胁迫下植物生长调节剂与叶面营养对羊草酶活性的影响研究表明,植物生长调节剂提高羊草抗旱性的机理之一是增强了细胞膜保护酶的活性而提升了清除自由基的能力,其促进生长、增加NPK的效应还与营养代谢相关酶活性变化有关。(1)在干旱胁迫下,采用不同浓度的BR、ALA、BR或ALA与叶面营养配合处理羊草,探讨其对羊草酶活性及NPK的影响。CK2使羊草POD、SOD、CAT、GR和APX都有所增加。而用不同浓度的BR、ALA、BR和叶面营养及ALA和叶面营养配合处理后,POD、SOD、CAT、GR和APX相对于CK2来说随喷施BR、ALA浓度的增加先升高后降低。单独喷施BR(0.10 mg/L)或ALA(50.0 mg/L),POD、SOD、CAT、GR和APX均达到最大。通过对比BR和ALA的作用效果,POD、SOD和CAT酶活性以喷施BR(0.10 mg/L)最好,GR和APX以ALA(50.0mg/L)效果最好。混施时尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)或尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)时,POD、SOD、CAT、GR和APX均达到最大。通过对比BR和ALA的作用效果,只有CAT酶活性以喷施尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+ALA(50.0 mg/L)最好,其他酶活性以尿素(1%)+磷酸二氢钾(1%)+BR(0.10 mg/L)效果最好。(2)CK2使羊草营养代谢相关酶硝酸还原酶和苹果酸脱氢酶降低,酸性磷酸酶有所增加。采用不同浓度的BR、ALA及叶面营养处理后,不管正常情况(CK1)或CK2下,硝酸还原酶和苹果酸脱氢酶均为先降低后增加,酸性磷酸酶均为先增加后降低。(3)CK2降低了羊草N、P和K含量。采用不同浓度的BR、ALA及叶面营养处理后,不管正常情况(CK1)或CK2下,NPK含量均为先降低后增加。同时还发现N和K含量分别与硝酸还原酶活性和苹果酸脱氢酶活性呈正比,而P含量跟酸性磷酸酶活性呈反比。6.干旱胁迫下植物生长调节剂与叶面营养对羊草内源激素的影响研究表明,外源植物生长调节剂与叶面营养处理对羊草内源激素及其比值有很大影响,植物生长调节剂与叶面营养调控羊草生长、提高其抗逆性可能与诱导植物内源激素的改变、调节细胞信号传导通路相联系。(1)在干旱胁迫下,采用不同浓度的BR及ALA与叶面营养处理羊草,探讨其对羊草激素的影响。经CK2处理后的羊草脱落酸(ABA)和吲哚乙酸(IAA)升高,赤霉素(GA_3)和玉米素(ZR)降低。不管在正常(CK1)或干旱(CK2)条件下,采用BR与叶面营养处理后,ABA含量先增加后降低,IAA、GA_3和ZR均一直增加;ALA与叶面营养处理后,ABA和IAA含量先增加后降低,GA_3和ZR含量一直增加。(2)不同处理还引起内源激素比值改变,经干旱胁迫采用BR或叶面营养处理后,IAA/ABA比值增加,ZR/ABA和GA_3/ABA比值减小。在正常情况(CK1)或干旱胁迫下(CK2),经BR、ALA与叶面营养不同处理后,IAA/ABA的比值均为先减小后增加趋势;ZR/ABA和GA_3/ABA比值在正常情况下先减小后增加。经干旱胁迫采用ALA或叶面营养处理后,IAA/ABA比值增加,其他处理减少。7.干旱胁迫下羊草转录组分析选取正常(对照)、干旱胁迫和干旱胁迫+ALA处理的羊草进行转录组分析。结果显示羊草在干旱胁迫下所发生的众多生理指标的变化以及植物生长调节剂ALA提高羊草抗旱性的效应与其转录组水平的基因表达改变有极大的关联。(1)以正常样品为对照,羊草在干旱胁迫下有1373个基因发生了显著差异表达,其中733个基因表达下调,640个基因表达上调。通过对干旱胁迫(G1)材料中表达的差异基因进行GO功能富集分析以及KEGG代谢通路显著富集分析表明:从总体上看羊草在重度干旱条件下反映代谢过程、催化活性、氧化还原反应等代谢途径表达显著下调,这是植株生长和生理受到抑制的重要原因。这些显著下调的基因主要包括如下几类。1)碳水化合物和呼吸作用代谢相关基因:如干旱胁迫下淀粉和蔗糖代谢、糖类代谢、葡萄糖分解代谢、己糖代谢、单糖分解、碳水化合物分解多个相关代谢过程基因表达显著下调。有氧呼吸代谢途径中的多个重要酶的表达显著下调,同时呼吸电子传递链与氧化磷酸化中重要成分NADH-辅酶Q氧化还原酶(复合体I)、F0F1-type ATP synthase(复合体Ⅴ)、辅酶Q-细胞色素C氧化还原酶(复合体Ⅲ)的表达也显著下调。这些基因表达的下调将大大降低细胞产生ATP和还原力的能力,影响碳水化合物代谢,导致不能满足植物体内各个生理过程对物质和能量的需求。2)光合机构与光合能力形成相关基因:在干旱胁迫下光合作用相关基因表达的代谢途径很多都显著下调。如反映光合机构特征的光合系统、叶绿体、叶绿体成分、叶绿体被膜、光合膜、质体、质体成分、质体被膜、类囊体、类囊体膜等相关基因表达的显著下调,这会影响到光合细胞结构的完整性与稳定性;而与光合能力形成有关的光系统I、核酮糖二磷酸羧化酶复合体、光合系统II CP47反应中心蛋白、细胞色素b6f复合体等相关基因表达的显著下调,将直接影响植株的光合效率,包括光合过程中的光化学反应以及CO_2同化能力,导致生产力下降,生长受阻。3)膜保护系统与清除自由基的酶相关基因:如干旱胁迫下重要的抗氧化酶APX、POD基因表达显著下调,可能导致自由基产生与清除的平衡被打破、造成活性氧在细胞内大量积累,降低对逆境的适应能力。4)次生代谢物质形成相关基因:在干旱胁迫下众多次生代谢物质形成相关基因表达的代谢途径很多都显著下调。如四吡咯结合代谢通路显著下调,这将会影响叶绿素、血红素、原血红素、光敏色素多种重要生理物质的合成,从而影响相关生理作用。α-亚麻酸代谢、亚麻酸代谢途径基因表达显著下调,可能改变膜脂不饱和脂肪酸含量,从而影响膜的流动性。苯丙烷类生物合成途径显著下调,将对植物组织中类黄酮等保护性物质积累不利,减弱其对于逆境的耐受性。(2)以干旱胁迫为对照,羊草在干旱胁迫+ALA处理后有1315个基因发生了显著差异表达,其中639个基因表达下调,676个基因表达上调。对干旱胁迫下ALA处理材料中表达差异基因进行GO功能富集分析以及KEGG代谢通路显著富集分析表明:从总体上看羊草在干旱条件下代谢过程、氧化还原反应等显著下调的代谢途径,喷施了ALA后表达都显著上调了,这与外源ALA的处理可以大大缓解干旱胁迫对其生理过程的伤害的效应相一致。这些显著上调的基因主要包括如下几类。1)碳水化合物和呼吸作用代谢相关基因:如在干旱胁迫下用ALA处理的样品与对照相比,其有氧呼吸代谢途径中的2,3二磷酸变位酶活性显著上调,同时呼吸电子传递链以及氧化磷酸化中重要成分NADH-辅酶Q氧化还原酶(复合体I)、F0F1-type ATP synthase(复合体Ⅴ)、辅酶Q-细胞色素C氧化还原酶(复合体Ⅲ)的表达也显著上调。这些基因的表达上调可保证细胞正常产生ATP和还原力,维持相对正常的呼吸作用和碳水化合物代谢,提升植物体内各个生理过程对物质与能量代谢的需求水平。2)光合机构与光合能力形成相关基因:在干旱胁迫下羊草光合相关基因下调的现象因ALA的处理得到改善,样品中光合代谢以及光合天线蛋白代谢途径的表达显著上调。如提高了羊草叶绿体psbA基因的表达,可加速D1蛋白的合成,有助于逆境伤害关键部位PSII功能的修复。这对于提高光合效率,增加碳源,促进植株生长非常有利。3)膜保护系统与清除自由基的酶相关基因:ALA处理的样品在干旱条件下抗氧化活性代谢通路表达显著上升,其中包含了括谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等重要的抗氧化酶,可清除由干旱胁迫形成的大量ROS,进而抑制膜脂过氧化反应,使代谢活动的正常进行,增强了植株的抗旱能力。4)次生代谢物质形成相关基因:干旱胁迫下一些次生代谢物质形成相关基因下调的趋势因ALA处理而扭转。如在干旱胁迫下亚麻酸代谢的表达显著下调,而施用了ALA后亚麻酸代谢基因表达显著上调,同时脂肪酸合成途径以及鞘糖脂生物合成也显著上调了。这些基因表达的显著上调可以促进相应物质的合成,增加膜的流动性,缓解干旱对于细胞膜的伤害,有利于膜结构与功能的稳定性和抗性的增强。(3)研究表明:干旱胁迫下经ALA处理促使油菜素内酯(BR)合成途径显著上调,而作为六大类激素之一的BR本身在促进植物生长、提高植物抗性与信号转导中作用突出,推断ALA的作用机理其中包括通过诱导BR合成途径基因表达的上调,增加细胞内源BR含量,进而调控其他生理过程,提高羊草的抗旱性,促进植株生长。 |
| 中文关键词 | 羊草 ; 干旱胁迫 ; 植物生长调节剂 ; 生长 ; 生理特性 ; 抗性 ; 转录组 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| URL | http://kns.cnki.net/kns/detail/detail.aspx?FileName=1018807243.nh&DbName=CDFD2018 |
| 来源机构 | 西南大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/257440 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋吉轩. 干旱胁迫下植物生长调节剂对羊草生长及生理特性的影响与转录组分析[D]. 西南大学,2017. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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