拟南芥和水稻PIN2材料的耐铝性研究

摘要

铝毒是酸性红壤上限制作物生长的重要因子。铝毒害最初的症状是抑制作物的根系生长，并且，严重的铝毒害将导致作物减产。近年来，由于酸沉降加剧以及化肥不合理施用，土壤酸化和铝毒问题日益突出。生长素在植物的耐铝毒过程中起重要作用，PIN2蛋白是根尖生长素的运输载体，PIN2与铝毒之间的研究鲜有报道。本实验以拟南芥和水稻不同PIN2表达材料为研究对象，探讨了铝处理对PIN2材料抗氧化胁迫及铝吸收的影响，以期为遗传改良作物耐铝毒提供理论基础。具体结果如下：
　　（1）铝处理能诱导拟南芥根尖0-5 mm区域AtPIN2基因增强表达，其表达量比对照增加了80.00％；铝处理诱导AtPIN2蛋白在根尖细胞膜水平方向上累积，并且呈束状分布。实验发现50μmol/L AlCl3明显抑制三种基因型拟南芥根系生长，AtPIN2超表达拟南芥（PIN2-OX）、野生型拟南芥（Col）的根系伸长速率和根系鲜重均显著大于AtPIN2缺失突变体拟南芥（pin2-ko），但PIN2-OX和Col之间没有显著差异。
　　（2）拟南芥水培结果表明，50μmol/L AlCl3处理能诱导拟南芥根系活性氧累积，与pin2-ko比较，PIN2-OX累积较少的活性氧并具有较高的SOD、CAT和APX活性。
　　（3）水稻水培试验表明，100μmol/L AlCl3处理显著提高野生型水稻（WT）的根系活力；铝处理使根尖铝浓度增加，与 WT比较，OsPIN2超表达水稻（OX1）根尖铝浓度下降了31.15%；但茎杆木质部汁液铝浓度增加了92.77%；铝处理能诱导水稻根尖膜脂过氧化并增加超氧阴离子产生速率；与WT比较，OX1的膜脂过氧化程度较低，其超氧阴离子产生速率下降了19.86%，而SOD、POD和APX活性分别增加了75.00%、6.67%和61.61%。
　　（4）与对照土壤（铝浓度为3.85 cmol/kg）比较，铝处理土壤（铝浓度为7.79 cmol/kg）明显抑制根系、地上部株高、分蘖和剑叶的生长，增加剑叶的SPAD值，其中 OX1的分蘖数、一个月相对株高和相对剑叶长比WT分别增加了56.00%、15.22%和10.09%。与WT比较，OX1的茎、叶片磷浓度在铝处理条件下分别增加了25.00%、26.19%；根系氮浓度分别增加了9.30%；叶片钙和镁浓度分别增加了26.90%和88.89%。
　　（5）与对照土壤比较，铝处理土壤使两个基因型水稻各个部位（除枝梗）的铝浓度增加，OX1的根、根茎连接处和茎中铝浓度比WT分别减少了18.22%、8.65%和11.48%，而叶片和瘪壳的铝浓度分别增加了129.58%和36.83%。
　　综上所述，超量表达PIN2基因增强拟南芥和水稻的耐铝性，其机理是PIN2基因通过调节根系的抗氧化能力，从而增强其耐铝性。同时，超量表达 PIN2基因通过提高水稻磷吸收转运能力，增强了 OX1适应酸性铝毒土壤的能力，同时也增加铝在叶片和瘪壳中累积。

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1 前言

1.1 我国酸性铝毒土壤的现状

1.2 铝对植物的毒害效应

1.2.1 植物对铝的吸收与储存

1.2.2 铝对植物生长的毒害

1.2.3 铝对植物养分吸收的影响

1.2.4 铝对细胞的过氧化毒害

1.2.5 铝毒害对生长素运输的影响

1.3 植物的耐铝机制

1.3.1 铝外部排斥机制

1.3.2铝内部忍耐机制

1.3.3 抗氧化调节植物耐铝毒

1.3.4 生长素参与的耐铝毒

1.4 本研究的目的与意义

1.5技术路线

2 材料与方法

2.1 拟南芥培养

2.1.1 供试材料

2.1.2 材料培养与处理

2.1.3拟南芥指标测定

2.2 水培水稻培养实验

2.2.1 供试材料

2.2.2材料培养与处理

2.2.3 指标测定

2.3 水稻对酸性铝毒土壤的适应性

2.3.1 供验材料

2.3.2 材料培养与处理

2.3.3 指标测定

2.4 数据统计与分析

3结果与分析

3.1 铝对不同AtPIN2基因表达量拟南芥生长的影响

3.1.1 AtPIN2对铝胁迫的响应

3.1.2 不同AtPIN2表达量拟南芥的长势

3.1.3 铝胁迫对根系活性氧累积的影响

3.1.4 铝处理对根系抗氧化酶活性的影响

3.1.5 铝处理对根系内源AsA-GSH代谢的影响

3.2铝处理对水培水稻生长的影响

3.2.1 铝处理对水稻根系活力的影响

3.2.2 铝处理对水稻根尖组织的毒害作用

3.2.3 水稻铝累积差异

3.2.4 铝处理对水稻根尖活性氧累积的影响

3.2.5 铝处理对水稻根尖抗氧化酶活性的影响

3.3水稻对酸性铝毒土壤的适应能力

3.3.1 酸性铝毒土壤对水稻株高和生物量的影响

3.3.2 酸性铝毒土壤对水稻剑叶生长的影响

3.3.3 酸性铝毒土壤对水稻分蘖数和穗长的影响

3.3.4 酸性铝毒土壤对水稻根际土壤pH和不同铝形态的影响

3.3.5 酸性铝毒土壤对水稻不同部位养分吸收的影响

3.3.6 水稻在酸性铝毒土壤上铝的吸收和分配

4讨论与结论

4.1 PIN2基因通过影响根尖抗氧化能力参与植物耐铝性

4.2不同PIN2表达量水稻对酸性铝毒土壤的适应

4.3 结论

致谢

参考文献

附录