赤霉素及烯效唑浸种对大豆根系及农艺性状的效应研究

摘要

赤霉素及其抑制剂烯效唑作为高效的植物生长调节剂被广泛应用于农作物、果树和园林植物中以促进壮苗、控制株高和提高产量，其调节机理研究也备受关注。根系是大豆非常重要的器官，具有固定植株、吸收水分和矿质营养、生物固氮等重要作用。因此，研究赤霉素和烯效唑对大豆根系的调控作用，有助于解释调节剂对植物的调控效应。本研究应用GA3和烯效唑以浸种方式处理大豆种子，从根系形态、根系显微结构、生理活性及转录组等方面研究探讨了GA3和烯效唑对大豆根系的调控效应;并研究了GA3和烯效唑对农艺性状的影响。具体结果如下:
　　研究发现GA3和烯效唑对大豆根系形态作用相反。GA3浸种处理导致大豆根直径变细、根长变短、根表面积和根体积减小、第4d根尖数减少，随着GA3浓度的增加差异变大。GA3在前期促进侧根原基的形成，72h侧根原基数显著高于对照，但是96h侧根数显著小于对照，说明GA3处理不利于侧根原基向侧根的发育。烯效唑处理导致大豆根直径变粗、根长增加、根表面和根体积增加、根尖数增多，具有一定的梯度效应。显微结构显示30mg·L-1、60mg·L-1GA3处理导致皮层厚度显著减小，中柱鞘直径和细胞大小变小，细胞壁初生壁和中间层的界限变得模糊，限制了根的发育;烯效唑处理增加了60h和72h主根皮层的厚度和皮层薄壁细胞的大小。生理研究结果表明GA3处理导致大豆体内GA3含量始终较高;烯效唑处理使得大豆根内GA3含量显著降低(1、3d)，这种作用在第5d消失，第10d GA3含量显著高于对照，这可能是大豆自身反馈调节的结果。在处理后的第1d，高浓度烯效唑降低了IAA的含量，第5d IAA含量升高。烯效唑处理对抗氧化酶系也具有一定调控效应，在12h1mg·L-1烯效唑提高SOD、CAT酶活性。
　　转录组测序结果显示，GA3处理的差异表达基因共1317个，其中上调基因377个，下调基因940个。KEGG代谢通路富集结果显示在差异基因分布的76个KEGG通路中，优势通路为“植物-病原菌相互作用(Plant-pathogen interaction PATH:ko04626)”和“植物激素信号传导通路(Plant hormone signal transduction PATH:ko04075)”。为适应外界高浓度GA3的介入，大豆根中3个GA20ox下调表达，除了赤霉素合成途径，赤霉素信号途径也受到显著影响，赤霉素受体F-box蛋白GID2、acyl-activating enzyme12、FMO GS-OX5等基因及bHLH130、MYB39、RAX2、WRKY53等转录因子下调表达，而acyl-activating enzyme5等基因和Myb15、LEP、RAX3和Snakin-2等转录因子上调表达。细胞壁生物合成和降解相关的差异表达基因有58个，其中与细胞壁松弛有关的差异基因包括1个扩展蛋白(EXPs)和10个葡萄糖苷酶基因下调表达，这些基因的下调可能会造成皮层细胞的变小。糖苷酶基因表达的下调与检测到糖苷酶的活性降低相吻合。GA3处理还影响了苯丙烷代谢途径及其分支途径黄酮类化合物途径，它们参与木质素的合成，这些基因的表达也应该与细胞壁变化有关。伸展蛋白(EATs)在细胞壁中的沉积是新形成分生组织突破根皮层的普遍需求，转录组差异表达基因中有8个EXTs下调表达，对3个EXTs基因的qRT-PCR检测表明其在不同时间点均下调表达。这些基因的差异表达可能是引起大豆细胞形态改变和侧根原基难于突破皮层的原因之一。
　　烯效唑浸种处理的转录组测序结果显示差异表达基因共有1269个，其中上调基因592个，下调基因677个，涉及67个KEGG代谢通路，“植物-病原菌相互作用”和“植物激素信号传导通路”同样是优势代谢途径。转录组数据显示赤霉素合成途径中的重要氧化酶基因差异表达，这种差异表达具有时间顺序性，引起根系赤霉素含量的变化，反映了生物体对低浓度赤霉素的一种反馈调节。烯效唑处理也影响了赤霉素合成途径的调节基因。与激素相关差异表达基因分析发现，烯效唑处理后乙烯合成的关键酶ACS基因(log2FC7.56)、乙烯应答因子ERF1和ERF109显著上调表达(log2FC＞5)，其中ERF109在3个时间点均上调表达，ERF1和ERF109是乙烯信号通路一部分，与PXY信号途径互作维持植物维管束细胞分裂，因此推测这条通路是烯效唑调控根发育生长的通路之一。同时也说明激素信号转导途径及其相互作用在烯效唑调控的根发育过程中发挥了重要作用。此外，发现了一些与细胞分裂和细胞壁修饰相关的差异表达基因。以上结果说明烯效唑处理引起根的表型变化是受到几个分子网络的共同作用的结果，包括植物激素传导途径，激素之间的交互作用，各类转录因子调控，细胞分裂和细胞壁修饰相关基因表达调控。
　　植物生长调节剂浸种对大豆农艺性状的影响研究表明GA3浸种处理促进了大豆苗期的株高，烯效唑浸种处理抑制了苗期的株高。收获期60mg·L-1GA3处理的株高显著低于对照，原因在于第3节和第12-14节节长显著降低。GA3和烯效唑浸种处理均有增加节粗的作用，30mg·L-1GA3处理和0.25mg·L-1烯效唑处理增幅最大。GA3处理减小了下部叶柄长度、增加了上部叶柄长度，烯效唑增加下部叶柄长度，两种调节剂均改变了大豆冠层结构。苗期0.25mg·L-1、1mg·L-1烯效唑处理显著增加了叶绿素含量，60mg·L-1GA3处理显著降低了叶绿素含量;盛花期0.25mg·L-1烯效唑和15mg·L-1GA3处理显著增加了蒸腾速率、气孔导度和净光合速率。0.25mg·L-1烯效唑处理能够显著提高单株粒数、单株荚数和产量，平均提高产量599kg·hm-2，增产15.14％。

目录

摘要

1 绪论

1．1 大豆生物学特征

1．1．1 大豆形态特征

1．1．2 大豆种子萌发期特征

1．1．3 大豆基本遗传特征

1．1．4 大豆根系特征

1．1．5 根系研究方法

1．2 赤霉素及其抑制剂

1．2．1 赤霉素在植物体内的新陈代谢

1．2．2 赤霉素抑制剂的种类和主要作用

1．3 根生长和发育的激素调控

1．3．1 植物根中生长素和赤霉素的交互作用

1．3．2 植物根中乙烯和赤霉素的交互作用

1．3．3 植物根中ABA和赤霉素的拮抗作用

1．3．4 植物根中的油菜素内酯

1．3．5 植物根中的细胞分裂素

1．3．6 植物根中赤霉素与DELLA信号的调控

1．3．7 植物侧根生长和发育的激素调控

1．4 植物根系发育过j陧中激素对其他生理指标的影响

1．5 转录组测序

1．6 本研究的目的和意义

2 外源GA3和烯效唑对萌发期大豆根形态及显微结构的影响

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设计

2．1．3 大豆根形态特征的测定

2．1．5 细胞壁和质体结构的观察

2．2 结果与分析

2．2．1 GA3和烯效唑对大豆根部形态的影响

2．2．2 种子萌发过程中GA3和烯效唑对大豆侧根原基的影响

2．2．3 GA3和烯效唑对大豆萌发期地上部形态的影响

2．2．4 GA3和烯效唑对大豆干物质及根冠比的影响

2．2．5 种子萌发过程中GA3和烯效唑对大豆根显微结构的影响

2．2．6 种子萌发过程GA3和烯效唑对大豆主根超微结构影响

2．3 本章小结

3 外源GA3和烯效唑对萌发期大豆根系生理的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验设计

3．1．3 激素含量的测定

3．1．4 其他生理指标的测定

3．2 结果与分析

3．2．1 GA3和烯效唑对内源激素含量的影响

3．2．2 GA3和烯效唑对抗氧化酶的影响

3．2．2 GA3和烯效唑对大豆根碳代谢的影响

3．3 本章小结

4 转录组学分析

4．1 材料及方法

4．1．1 供试材料及取样方法

4．1．2 转录组分析基本流程

4．1．3 RNA的提取

4．1．4 转录组数据质量评价

4．1．5 单核苷酸多态性和碱基的插入和缺失

4．1．6 新基因的分析

4．1．7 基因表达定量和差异表达基因的筛选

4．1．8 差异表达基因的GO和pathway分析

4．1．9 qRT-PCR分析

4．2 结果与分析

4．2．2 测序数据统计及质量评估

4．2．3 单核苷酸多态性和碱基的插入和缺失

4．2．4 新转录本分析

4．2．5 差异表达基因的GO分析

4．2．6 大豆差异表达基因的pathway分析

4．2．7 GA3处理的大豆根差异表达基因分析

4．2．8 烯效唑处理的大豆根差异表达基因分析

4．2．9 不同时间点差异表达基因qRT-PCR分析

4．3 本章小结

5 外源GA3和烯效唑浸种对大豆农艺性状的影响

5．1 材料及方法

5．1．1 供试材料和试验地情况

5．1．2 试验设计

5．1．3 光合作用的测定

5．4．4 叶绿素含量测定

5．1．5 农艺性状和主要产量性状的测定

5．2 结果与分析

5．2．1 GA3和烯效唑对大豆株高形态的影响

5．2．2 GA3和烯效唑对大豆地上生物量的影响

5．2．3 GA3和烯效唑对大豆光合作用的影响

5．2．4 GA3和烯效唑对大豆叶片叶绿素含量的影响

5．2．5 GA3和烯效唑对大豆产量性状的影响

5．3 本章小结

6 讨论

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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