氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗生长和氮代谢相关基因表达的影响

摘要

氮素和水分是决定小麦养分吸收、产量的两个关键因素。氮肥不足严重影响小麦的产量，而过量施氮造成氮肥利用效率(NUE)降低，并导致严重的环境污染。水分亏缺往往降低N素的利用率。在实际生产中，氮素不足和干旱往往同时存在，形成复合胁迫。因此，本文以2个不同基因型小麦品种（豫麦49-198和周麦22）为材料进行氮素胁迫及聚乙二醇(PEG)-6000模拟的干旱胁迫，研究了不同氮素和水分供应条件对冬小麦幼苗生长及其氮素吸收、同化的生理和分子响应。主要结果如下：
　　1.苗期氮素、干旱及其复合胁迫均显著抑制了小麦幼苗地上部的生长，但在一定程度上促进了根系的生长。结果表明，5d的氮素及干旱胁迫均使2个品种小麦幼苗的叶片变小，株高及地上部干重显著下降。氮素胁迫显著增加了根长、根干重和根冠比，干旱胁迫显著增加了根干重和根冠比。复合胁迫下地上部生长受到的抑制最大，但其根干重和根冠比亦最大。
　　2.氮素胁迫使小麦幼苗的叶绿素含量（a、b及总叶绿素）、类胡萝卜素含量，及植株全氮、硝酸盐、可溶性蛋白质和游离氨基酸的含量显著减少，GS活性和叶片中的NR活性显著降低。干旱胁迫导致植株体内的全氮含量、硝酸盐含量、叶片NR活性均显著下降，但降幅小于氮素胁迫。干旱胁迫使叶片中叶绿素（a、b及总叶绿素）和类胡萝卜素的含量增加，植株体内渗透调节物质可溶性蛋白质和游离氨基酸的含量显著增加，且游离氨基酸的增幅大于可溶性蛋白质的增幅。干旱胁迫对叶片GS活性影响在2个品种间存在差异：使豫麦49-198中的GS活性显著升高，周麦22中的GS活性则显著下降。
　　3.利用荧光实时定量PCR，检测了氮素和干旱胁迫5d后小麦幼苗中与硝酸盐转运蛋白相关的TaNRT1和TaNRT2基因的转录水平变化。表明小麦幼苗叶和根中的TaNRT1.1和TaNRT1.2在氮素胁迫、复合胁迫下表达显著上调，而在干旱胁迫下其表达下调，2个品种表现一致。说明氮素胁迫诱导了TaNRT1.1和TaNRT1.2的表达，以促进对N素的吸收利用。
　　幼苗根中的TaNRT2.1、TaNRT2.2和TaNRT2.3的表达量在氮素、干旱及其复合胁迫下均显著下降；且在干旱胁迫条件下，无论有无氮素供应，TaNRT2.1、TaNRT2.2和 TaNRT2.3的表达量无显著差异，说明干旱胁迫是导致TaNRT2表达量下降的主导因素。与对照（N）相比，各胁迫处理下TaNRT.1、TaNRT1.2的表达量高于TaNRT2.1、TaNRT2.2和TaNRT2.3的表达量，表明TaNRT1.1和TaNRT1.2在硝酸盐吸收转运方面可能发挥更重要的作用。
　　4.通过对氮素同化关键酶基因TaGS1和TaGS2的检测分析，表明氮素胁迫使小麦幼苗中TaGS1和TaGS2基因的表达上调，干旱胁迫下2个品种叶中TaGS1和TaGS2的表达调控存在基因型差异：豫麦49-198中表达下调，周麦22叶中表达上调。综合比较GS活性和TaGS1和TaGS2的表达，干旱胁迫下，小麦幼苗的GS活性和TaGS1和TaGS2的表达不仅受氮素供应的影响，而且与基因型有关；在氮胁迫、干旱胁迫及其复合胁迫处理下，TaGS1和TaGS2的表达与GS活性呈现出的不同变化趋势，说明小麦对氮素的同化有着复杂的调控因素，有待进一步的研究。

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1 文献综述

1.1氮素对作物生长及社会、环境的影响

1.1.1氮素的生物效应

1.1.2 小麦的氮素营养

1.1.3 氮肥利用率低的现状

1.2 水分胁迫对作物生长及生理代谢的影响

1.2.1 膜的结构及透性发生变化

1.2.2 光合作用减弱

1.2.3 养分吸收能力降低

1.2.4 渗透调节物质的变化

1.2.5 生理指标的影响

1.3 植物体内的氮代谢途径及分子生物学研究

1.3.1高等植物氮代谢途径

1.3.2高等植物对氮素的吸收的分子生物学研究

1.3.3高等植物氮素同化的分子生物学研究

2 引言

3 材料与方法

3.1 试验材料及处理

3.2 试验仪器及试剂

3.2.1 主要仪器

3.2.2 试验试剂

3.3 测定项目及方法

3.3.1 生长参数的测定

3.3.2 叶绿素含量的测定

3.3.3 根和叶中全氮、硝态氮、可溶性蛋白质和游离氨基酸含量的测定

3.3.4 NR活性、GS活性的测定

3.3.5 总RNA的提取及质量检测

3.3.6 反转录：cDNA第一条链的合成

3.3.7 引物的设计与合成

3.3.8 荧光实时定量PCR（qPCR）

3.4 试验数据统计分析方法

4 结果与分析

4.1 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗形态和生长参数的影响

4.2 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗氮素生理代谢的影响

4.2.1 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗叶绿素、类胡萝卜素含量的影响

4.2.2 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗中全氮含量的影响

4.2.3 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗中硝态氮含量的影响

4.2.4 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗叶片NR活性的影响

4.2.5 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗叶片和根系中GS活性的影响

4.3 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗渗透调节物质的影响

4.3.1 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗中可溶性蛋白质含量的影响

4.3.2 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗游离氨基酸含量的影响

4.4 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗氮素吸收相关的TaNRT基因表达的影响

4.4.1 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗TaNRT1表达的影响

4.4.2 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗TaNRT2表达的影响

4.5 氮素及干旱胁迫对冬小麦幼苗氮素同化相关基因TaGS表达的影响

5 结论与讨论

5.1 结论

5.1.1小麦幼苗生长对氮素和干旱胁迫的响应

5.1.2小麦幼苗氮素生理代谢对氮素和干旱胁迫的响应

5.1.3小麦幼苗氮素吸收转运蛋白相关基因TaNRT的表达对氮素和干旱胁迫的响应

5.1.4小麦幼苗氮素同化相关基因TaGS表达对氮素和干旱胁迫的响应

5.2 讨论

5.2.1氮素和干旱胁迫对小麦幼苗生长及生理代谢的影响

5.2.2氮素和干旱胁迫对小麦幼苗的氮素吸收相关基因TaNRT1和TaNRT2的影响

5.2.3氮素和干旱胁迫对小麦幼苗氮素同化相关基因TaGS的影响

参考文献

英文摘要