青藏高原一年生野生大麦耐盐碱与干旱胁迫生理机理和特异蛋白的研究

【摘要】干旱和盐碱胁迫是全球普遍存在的农业生产问题,在自然生态系统和农业生态系统中这两种逆境常同时发生。培育抗旱耐盐作物品种是提高干旱和盐胁迫下作物产量既经济又高效的途径；而发掘特异抗旱耐盐种质,明确其耐性机制是培育耐性品种和制订抗旱耐盐栽培措施的基础。大麦(HordeumvulgareL)是世界第四大谷类作物,其对盐碱胁迫的耐性常优于其它禾谷类粮食作物,但是大麦的生长和产量仍地很大程度上受到干旱和盐胁迫的影响。青藏高原一年生野生大麦(以下简称西藏野生大麦)为我国独有的珍贵野生资源,蕴藏着多种抗逆特异基因,为作物的遗传改良提供了丰富的基因库。本研究以课题组前期试验筛选鉴定到的耐旱(XZ5)和耐盐碱(XZ16)野生大麦基因型为材料,以国际公认耐盐碱大麦品种CM72为对照,研究了野生大麦耐航干旱和盐碱复合胁迫的生理机制,同时应用比较蛋白质组学方法分离鉴定耐性相关特异蛋白质,主要研究结果如下：1.干旱和盐胁迫对西藏野生大麦活性氧代谢、水分利用率和Na+/K+比的影响及基因型差异以耐旱西藏野生大麦基因型XZ5、耐盐碱基因型XZ16为材料,以耐盐品种CM72为对照,温室盆栽干旱和盐胁迫试验,研究干旱和盐单独与复合胁迫对大麦活性氧代谢、水分利用率和Na+/K+比的影响及基因型差异。结果表明,干旱(D)或盐(S)单独与复合(D+S)胁迫,都抑制植株生长、降低叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间C02浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和最大PSII光化学效率(Fv/Fm),淇中D+S复合胁迫抑制尤其严重。在D+S复合胁迫下,两个野生大麦基因型表现出较强耐性,其植株生长、Pn和Fv/Fm的受抑制程度显著小于CM72水分利用率(WUE),D+S复合胁迫35d和45d后,XZ5和XZ16显著高于对照,但CM72无显著差异；在D+S复合胁迫下,XZ5和XZ16叶片K+含量比CM72高30.9%和12.1%,Na+/K+低30.5%和24.1%;与CM72相比,XZ16和XZ5具有较高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、愈创木酚过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性,较低丙二醛(MDA)和过氧化氢积累。这些结果表明,XZ16和XZ5对D+S复合胁迫的强耐性与低Na+/K+比和较高水分利用率与抗氧化酶活性密切相关。2.干旱和盐胁迫对西藏野生大麦ATPase、超微结构和渗透调节物质的影响及基因型差异干旱和盐单独与复合胁迫显着降低叶片水势和渗透势,其中2个西藏野生大麦降低小于CM72。叶片中渗透调节物质如脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、可溶性糖含量在2个西藏野生大麦和栽培大麦之间存在显着差异,尤其是复合胁迫下基因型间差异更明显。脯氨酸和甘氨酸-甜菜碱含量以复合胁迫下最高,可溶性糖含量以单一干旱胁迫下最高,且其中XZ5和XZ16显著高于CM72;可溶性蛋白含量,干旱和盐单独或复合胁迫下,XZ16显着高于XZ5和CM72。在干旱和盐复合胁迫下,还原型谷胱甘肽和抗坏血酸含量在XZ5中分别比CM72高20%和35%；XZ16的H+-ATP酶和Ca2+/Mg2+-ATP酶活性显著高于CM72,但与XZ5无显著差异;干旱和盐单独或复合胁迫导致3个基因型叶片和根尖细胞超微结构发生明显变化。3.干旱和盐胁迫对西藏野生大麦蛋白表达谱的影响及基因型差异利用比较蛋白质组学技术,探讨了干旱和盐单独与复合胁迫对XZ5、XZ61和CM72叶片蛋白质表达谱的影响及基因型差异,鉴定到基因型差异表达的与XZ5、XZ61耐性相关的蛋白点34个,其中15个为干旱特异表达蛋白、8个为盐胁迫差异表达蛋白、11个干旱与盐复合胁迫差异表达蛋白。上述耐性相关蛋白功能分类分别属于光合作用、解毒、能量代谢和蛋白质生物合成等,在干旱和盐复合胁迫下主要涉及光和电子转移蛋白、伴侣蛋白和酶的活性氧动态平衡等相关蛋白。4.干旱和盐胁迫对西藏野生大麦叶片次生代谢的影响及基因型差异研究了干旱和盐单独与复合胁迫对XZ5、XZ61和CM72叶片次生代谢和相关基因表达的影响,结果表明,干旱、盐单独与复合胁迫下,叶片胼胝质含量、几丁质酶、蔗糖合酶(SuSy)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和酸性转化酶(AI)活性XZ5和XZ16高于CM7；同时,在所有胁迫条件下2个野生大麦基因型中的酚和黄酮含量及抗氧化酶活性也较高。干旱和盐单独与复合胁迫诱导野生大麦次生代谢相关基因(GST,PPO,SKDH,PAL,CADandchitinasegenes)上调表达,并且伴有相应酶活性的增加,其中尤其以XZ5上调最明显。叶片DNA显微成像显示,干旱和盐单独与复合胁迫导致DNA损伤增加拖尾,其中XZ5和XZ16受损轻于CM72。5.花期干旱和盐胁迫对西藏野生大麦产量及生理特征的影响及基因型差异研究了开花期干旱和盐单独或复合胁迫对西藏野生大麦(XZ5、XZ16)和CM72产量及生理特性的影响。在单独盐胁迫下,叶片Na+浓度显著高于根和茎,XZ5和XZ16叶片K+浓度显著高于对照；XZ16叶片中Na+/K+比最低。复合胁迫(D+S)下,细胞膜稳定性指数(CMSI)的显着减小和MDA的增加都伴随着总生物量的急剧下降。在所有的胁迫条件下,XZ5和XZ16中甘氨酸甜菜碱和可溶性糖含量显著增加,同时蛋白酶活性和可溶性蛋白质含量增加。与CM72相比,在D+S复合胁迫下,XZ5和XZ16具有较高的还原型抗坏血酸和还原型谷胱甘肽含量及ATP酶活性和抗氧化酶活性。与对照相比,花期干旱和盐单独或复合胁迫显著降低籽粒产量和千粒重,其中以CM72受影响最严重。我们的结果显示,XZ5和XZ16在开花期D+S胁迫下的高耐性与其在胁迫条件下维持较低的Na+/K+比、较高的甘氨酸甜菜碱、可溶性蛋白和可溶性糖含量、蛋白酶和ATPase活性等有关。6.花期干旱和盐胁迫对西藏野生大麦籽粒超微结构、淀粉酶、蛋白质和氨基酸含量的影响及基因型差异花期干旱和盐单独或复合胁迫下,籽粒总抗氧化力显著增加,增加幅度依次为：不同处理间3个基因型平均,D(干旱)+S(盐胁迫)>D>S;品种间,XZ5>XZ16>CM72。单独和复合胁迫下XZ5的总酚含量显著增加,而CM72降低。D+S复合胁迫下,XZ5和XZ16籽粒α-/β-淀粉酶活性分别比CM72高81.8%/16.9%和48.6%/18.7%;D+S复合胁迫显著增加氨基酸、蛋白质含量和蛋白组分(白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白),其中西藏野生大麦增加幅度更大。D+S复合胁迫对显微结构的影响表现基因型差异,XZ5和XZ16保持相对完整的淀粉粒和更多的蛋白质沉淀,而CM72淀粉粒出现变形。本研究扩展了我们对大麦耐旱和耐盐机制的理解,并为利用西藏野生大麦培育具耐旱和盐碱胁迫的大麦品种提供了理论依据。
【作者】ImrulMosaddekAhmed（伊姆鲁）；
【导师】邬飞波；
【作者基本信息】浙江大学，作物学，2013，博士
【关键词】开花期；活性氧代谢；三磷酸腺苷酶(ATP酶)；糖代谢；干旱和盐复合胁迫；质谱分析；矿质营养；渗透调节物质；光合特性；钾；次生代谢；淀粉颗粒；西藏野生大麦(H.SontaneumC.Coch)；总抗氧化能力(TAC)；双向电泳；超微结构；水分代谢；产量；

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