异源表达Hvsusiba2籼稻“明恢86”稻田甲烷减排研究

摘要

甲烷是主要的温室气体之一，稻田是最重要的农业甲烷排放源之一。稻米是世界三分之二人口的主粮，随着对稻米的需求不断增加，其栽种面积也将不断扩大，必然会引起稻田甲烷排放量不断增多。在满足粮食需求的同时，降低稻田甲烷排放是当今科学家关注的热点，但是目前的甲烷减排措施大多停留在栽培调控层面，具有一定的局限性而难以推广。
　　稻田甲烷排放是水稻-土壤-微生物共同作用的结果。水稻生长过程中向土壤分泌的有机物以及根脱落物为土壤甲烷菌提供了丰富的底物，长期淹水稻田造成的厌氧环境，为土壤产甲烷菌提供了理想生长环境，水稻田成为农业活动的主要甲烷排放源。影响稻田甲烷排放的因素众多，其中，水稻品种是决定稻田甲烷的产生和排放的关键因素，遗传因素决定的水稻品种间株型、根系以及光合代谢特征不同产生了品种间甲烷排放特征差异。因此，培育提高产量的同时又能降低甲烷排放的水稻品种，对于控制全球变暖和满足日益增长的粮食需求具有重要意义。本研究利用经过验证的具有调控植物淀粉合成代谢产物分配作用的大麦糖信号转录因子Hvsusiba2，导入籼稻品种“明恢86”，研究其对籼型水稻甲烷排放和淀粉积累的影响，结果如下：
　　1.通过对28个T1代转Hvsusiba2基因株系自交重组和分子检测获得两个纯合株系命名为“86R10-1”和“86R27-3”，均为单拷贝插入。其外源Hvsusiba2在转基因水稻中高表达；且受Hvsusiba2调控，转基因水稻幼嫩种子和茎鞘中淀粉合成相关基因如：焦磷酸化酶（AGPSIIb、UGP1）、淀粉合成酶（GBSSII）、淀粉分支酶（BEI， BEIIa，BEIIb）、蔗糖合成酶（SUS1,SUS2）和蔗糖转运蛋白（SUT1， SUT5）的表达显著上调。
　　2.田间试验显示：“86R10-1”和“86R27-3”与“明恢86”的全生育期甲烷排放趋势基本一致，特征为，随着水稻生长呈波动上升并在开花期和灌浆期达到峰值；转Hvsusiba2基因水稻的甲烷排放通量在大多数检测时段显著低于对照；全生育期内“86R10-1”和“86R27-3”的平均排放量分别为2.93mg·m-2·h-1和的3.04mg·m-2·h-1，而“明恢86”甲烷平均排放量为4.2mg·m-2·h-1。
　　3.转Hvsusiba2水稻甲烷减排效果显著。与“明恢86”相比，全生育期内“86R10-1”平均减排量为1.27mg·m-2·h-1，平均减排率为30.2％，其中在水稻生长的开花期减排率达到最高达54.7%；“86R27-3”平均减排量为1.16mg·m-2·h-1，平均减排率为27.6%，同样在水稻开花期减排率达到65.9%。
　　4.稻田中6种主要产甲烷菌的丰度依次为Methanosaetaceae(Mst)＞Archaea(ARC)＞Methanogens(MET)＞Methanosarcinacea(Msc)≥Methanomicrobiales(MMB)＞Methanobacteriales(MBT)。与野生型相比，转Hvsusiba2籼稻根土中产甲烷菌丰度显著减少，其中MST减少最多，最大减少量出现在抽穗期(1707.4±257.6)106 copies/g-干土。转基因稻田的甲烷氧化菌Methytobacter/Methylosarcina（MBAC）和Methylosinus（TYPEⅡ）的量也有显著降低。
　　5.转Hvsusiba2籼稻地上部干重、实粒干重、实粒数、千粒重、穗数、分蘖数和株高等农艺性状与野生型相比无显著差异,而其成熟种子中的总淀粉含量显著提高，“86R10-1”的总淀粉含量增加了8.76%，“86R27-3”增加了7.42%。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 稻田是甲烷的重要排放源

1.2 稻田甲烷排放机理

1.3 水稻品种是影响甲烷排放的关键因素

1.4 影响稻田甲烷排放的环境因素

1.5 减少稻田甲烷排放的对策

1.6 借助生物技术改变品种特性

1.7 本研究目的和意义

第二章 转Hvsusiba2籼稻纯合株系筛选和分子检测

2.1 实验材料

2.2 实验方法

2.3 结果分析

第三章 异源表达Hvsusiba2籼稻稻田甲烷排放特征

3.1 试验材料

3.2 试验方法

3.3 结果分析

第四章 异源表达Hvsusiba2籼稻稻田土壤甲烷菌丰度变化

4.1 试验材料

4.2 试验方法

4.3 结果分析

第五章 异源表达Hvsusiba2籼稻农艺性状及淀粉含量分析

5.1 试验材料

5.2 试验方法

5.3 结果分析

第六章 讨论

1 异源表达Hvsusiba2基因籼稻降低甲烷排放

2 异源表达Hvsusiba2籼稻根部土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌减少

3 异源表达Hvsusiba2基因籼稻农艺性状与野生型无差异

4 异源表达Hvsusiba2基因籼稻成熟种子总淀粉含量增加

5 异源表达Hvsusiba2基因籼稻甲烷减排研究的意义和前景

6 研究展望

参考文献

附录

附录A：实验中用到的引物

附录B:常用的实验方法

附录C: 主要试剂和仪器

附录D:PCR反应体系及反应程序

附录E:甲烷菌质粒标准品的扩增曲线及溶解曲线

攻读学位期间的学术论文与研究成果

致谢