玉米苗期抗旱性生理生化指标筛选及相关基因表达研究

摘要

玉米是重要的粮、油、饲兼用作物。在世界粮食作物中其种植面积和总产量仅次子水稻和小麦，处于第三位，而单位面积产量位于所有作物之首。近年来，国内玉米总产量已经超过小麦，成为我国第二大粮食作物。干旱是影响玉米产量最主要非生物胁迫因素之一，研究玉米抗旱生理机制及抗旱性鉴定指标体系，对于提高水分利用率，节省水资源，减少干旱危害，实现可持续发展，具有重要的现实意义。
　　 本研究在正常供水和水分胁迫两种条件下选用抗旱性不同的6个自交系对玉米苗期的生理生化性状进行了系统研究和分析，初步建立了玉米苗期抗旱性鉴定指标，深入研究了脯氨酸代谢途径中关键酶基因的表达变化规律，充分论证了干旱胁迫下玉米生理生化指标与品种抗旱性的关系，进一步揭示了玉米苗期抗旱性的机制，为抗旱育种早期选择材料奠定了一定基础。主要结果如下：
　　 1．根据各生理生化指标的变化规律发现，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、丙二醛（maiondiaidehyde，MDA）、相对电导率、脱落酸（abscisic acid，ABA）、可溶性糖（soluble sugar，SS）、脯氨酸（proline，Pro）、可溶性蛋白等这些指标都随着干旱胁迫的延长而增加（相对值大于1），但增加的幅度不同；而叶片保水力、叶绿素、饱和渗透压和叶片相对含水量（relative water content，RWC）则随干旱胁迫的加重逐渐减少。方差分析结果表明，叶片保水力、相对电导率、可溶性糖、脯氨酸、饱和渗透压和叶片RWC的变化与材料的抗旱性有关。在严重干旱胁迫下，抗旱性强的材料叶片保水力、可溶性糖、脯氨酸、饱和渗透压和叶片RWC高，其相对电导率小；水分敏感型材料这6个指标的测定结果则相反。
　　 2．通过各生理生化指标的相对值与反复干旱幼苗存活率的相关分析，其结果表明，在水分胁迫第9天的时候，饱和渗透压与反复干旱幼苗存活率呈显著正相关（r=0.8928）；在水分胁迫第11天的时候，反复干旱幼苗存活率与叶片保水力、叶片RWC达到极显著和显著正相关（r=0.9456、0.8793）；到水分胁迫13天的时候，反复干旱幼苗存活率与相对电导率达到显著负相关（r=-0.8929），与饱和渗透压、叶片RWC达到显著正相关（r=0.9249、0.8891）。因此，这4个指标可以在上述3个胁迫时间点内作为玉米苗期抗旱性鉴定的生理生化指标。
　　 3．通过主成分分析，得出叶片RWC、饱和渗透压、相对电导率和叶片保水力是抗旱性鉴定的一级综合指标；脯氨酸和可溶性糖可以作为二级抗旱鉴定综合指标。
　　 4．根据相关分析结果，建立线性回归方程，为：Y=29.41-14.76x1+1.29x2+43.80x3-4.22x4。Y为反复干旱存活率，X1、X2、X3、X4分别代表叶片保水力、相对电导率、饱和渗透压和叶片RWC4个指标的相对值。其中X2和X4的系数没有达到显著水平，所以优化方程为：Y=29.41-14.76x1+43.80x3。并用此方程对严重水分胁迫下各自交系材料的幼苗存活率进行预测，结果与实测值达到显著水平（r=0.9427，P<0.05）。
　　 5．通过对脯氨酸代谢途径中的P5CS、P5CR和PDH基因进行荧光定量PCR分析，发现在干旱胁迫过程中，抗旱性强的基因型其合成酶基因相对表达量较高，降解酶基因相对表达量最低；相反，合成酶基因表达量最低、降解酶基因相对表达量最高的是水分敏感型的材料。
　　 6．通过脯氨酸含量与其代谢途径中关键基因的相关分析，表明脯氨酸含量的累积与合成酶基因表达量呈现正相关，与降解酶基因表达量呈现负相关。而且，耐受型材料与其合成酶基因表达量相关系数大，与降解酶基因表达量相关系数小；与之相反，则是水分敏感型材料。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词

声明

1前言

1.1植物抗旱机制的研究进展

1.1.1植物抗旱机理的分类

1.1.2植物抗旱的生理生化机理

1.1.3植物抗旱的分子机理

1.2植物抗旱性鉴定指标研究进展

1.2.1形态指标

1.2.2生理生化指标

1.3抗旱性的综合评价

1.3.1总抗性评价法

1.3.2直接比较法

1.3.3抗旱性分级

1.3.4数学分析法

1.4植物中的抗旱相关基因的研究进展

1.4.1脯氨酸合成相关的基因

1.4.2海藻糖合成相关基因

1.4.3果聚糖合成酶基因

1.4.4甘露糖合成相关基因

1.4.5甜菜碱合成有关的酶基因

1.4.6水通道蛋白(AQP)

1.5实时荧光定量PCR技术

1.5.1荧光定量PCR的定义

1.5.2实时荧光定量标记方法

1.6研究目的意义

1.7研究内容

2材料与方法

2.1实验材料

2.2试验设计与管理

2.3实验方法

2.3.1各生理生化指标测定方法

2.3.2基因表达量分析方面

3结果与分析

3.1各自交系苗期抗旱性的确定

3.2水分胁迫下各生理生化指标的变化

3.2.1水分胁迫下叶片相对含水量(RWC)的变化

3.2.2水分胁迫下渗透调节能力(OA)的变化

3.2.3水分胁迫下脯氨酸含量(Pro)的变化

3.2.4水分胁迫下可溶性糖(SS)的变化

3.2.5水分胁迫下ABA含量的变化

3.2.6水分胁迫下相对电导率的变化

3.2.7水分胁迫下可溶性蛋白含量的变化

3.2.8水分胁迫下过氧化氢酶(CAT)活性的变化

3.2.9水分胁迫下超氧化物歧化酶(SOD)总活性的变化

3.2.10水分胁迫下过氧化物酶(POD)活性的变化

3.2.11水分胁迫下丙二醛(MDA)含量的变化

3.2.12水分胁迫下叶绿素含量的变化

3.2.13水分胁迫下叶片保水力的变化

3.3玉米苗期抗旱性生理生化指标的筛选

3.4玉米苗期抗旱性鉴定回归方程的建立

3.5脯氨酸代谢途径中关键基因表达量分析

3.5.1总RNA的提取和纯化

3.5.2荧光定量PCR的结果分析

3.5.3不同材料的脯氨酸含量与其代谢途径中关键基因表达量的相关分析

4结论与讨论

4.1结论

4.2讨论

4.2.1反复干旱幼苗存活率与抗旱性的关系

4.2.2水分胁迫下各生理生化指标的变化与抗旱性的关系

4.2.3玉米苗期抗旱性鉴定的综合指标

4.2.4实时荧光定量PCR与目前其他研究方法的比较

4.2.5脯氨酸含量的累积与基因表达量的关系

4.3下一步工作设想

致 谢

参考文献

附录：攻读硕士学位期间参加科研项目及发表论文情况