γ-氨基丁酸(GABA)调控盐胁迫下玉米种子萌发和幼苗生长的机制

摘要

玉米是我国重要的粮食和饲料作物，在国民经济中占有重要的地位。盐渍化土壤是一种广泛分布的低产土壤，是造成世界范围内作物减产的主要环境因子之一。盐胁迫会影响作物正常的生长发育，而玉米又是中度盐敏感型作物，盐胁迫会严重影响玉米的生理代谢，从而直接影响玉米的生长发育和产量品质形成。为了探究γ-氨基丁酸(GABA)提高玉米耐盐性的机制，本论文选择两种耐盐性不同的玉米为试验材料，研究盐胁迫下GABA对种子萌发、幼苗生长、抗氧化酶系统、氮代谢、内源激素含量、光合系统和基因差异化表达的影响，旨在明确GABA提高玉米耐盐能力的生理途径和由其诱导的差异表达基因的相关功能及与耐盐性的关系。
　　试验于2014年和2015年在东北农业大学农学院温室进行，选用耐盐型玉米品种郑单958和盐敏感型玉米品种东农253为供试品种，转录组测序采用郑单958父本昌7-2。通过前期试验筛选，种子萌发的NaCl胁迫浓度定为100 mmol/L，幼苗生长的NaCl胁迫浓度为150mmol/L。试验GABA的施用浓度分别为0、0.25、0.5、1和2 mmol/L。种子萌发试验采用与试验设置对应浓度的溶液为萌发基质进行发芽试验，水培介质选用1/2霍格兰营养液，当玉米幼苗生长到三叶一心时，对幼苗进行处理。主要研究结果如下:
　　(1)施用一定浓度的GABA能有效的缓解NaCl造成的萌发抑制现象。NaCl胁迫下，0.5mmol/L GABA处理的郑单958和东农253种子的发芽率、发芽势、活力指数和贮藏物质转运率分别比单独NaCl胁迫处理的种子高。0.5 mmol/L GABA处理种子对于缓解NaCl胁迫对胚根长和胚芽鞘长抑制作用效果最好，与单独NaCl胁迫相比郑单958胚根和胚芽鞘长分别升高了46.76％和49.69％;东农253为58.52％和45.14％。GABA处理能显著的提高α-淀粉酶的活性，从而促进种子的萌发，其中0.5 mmol/L GABA效果最好。
　　(2)一定浓度的GABA都能缓解NaCl胁迫对幼苗生长的抑制，有利于幼苗形态建成。GABA处理植株的株高和茎叶干鲜重都高于单独NaCl处理的植株，其中GABA浓度为0.5mmol/L的处理效果好于其他GABA处理。GABA缓解NaCl胁迫对东农253的生长抑制的效果好于郑单958。GABA能提高NaCl胁迫下根系干鲜重的积累，增加根系总长度、根表面、根体积和根尖数，降低根系平均直径。通过根系扫描图片可知，0.5 mmol/L GABA有利于根毛的生成，这促进了NaCl胁迫下根系水分和养分的吸收，是玉米幼苗生长良好的重要保证。
　　(3)一定浓度的GABA能有效的降低盐胁迫下叶片内的MDA和O2、含量，其中0.5mmol/L的GABA效果最佳。NaCl胁迫会显著的提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性以便清除体内的MDA和O2·-，GABA能进一步提高抗氧化酶活性，其中0.5 mmol/L的GABA效果最佳。
　　(4)外源施加GABA也能提高幼苗叶片和根系的内源GABA含量。在正常生长和NaCl胁迫条件下，GABA均能提高叶片和根系内的可溶性蛋白含量，降低丙酮酸含量。外源GABA加入后会产生GABA的反馈调节，使得GAD活性降低。GAD活性降低会导致谷氨酸含量升高，从而又会反馈调节GS、GOGAT和GDH活性，使其活性降低。通过反馈调控作用会使得氮代谢的进程中各种物质间的转化趋于稳定，因此会使得可溶性蛋白水解减少，而丙酮酸可更好的参与其他代谢物质的生成，因此含量下降。
　　(5) NaCl胁迫下，叶片和根系内的ABA含量会明显升高，这有利于植株提高抗性。由于ABA是抑制生长型激素，并且它与促生长型激素有拮抗作用，所以叶片和根系内的IAA、GA和ZR含量下降，从表型上看则表现为生长量下降。外源GABA的加入能改善植株多种代谢，如提高抗氧化酶系统，从而减少了胁迫带来的损伤，因此GABA处理的植株的ABA含量下降，IAA、GA和ZR含量上升，从表型上看表现为植株恢复生长。
　　(6)外源GABA的加入能降低NaCl胁迫对叶片造成的损伤，减少叶绿素的分解，从而提高SPAD值、光合速率、蒸腾速率和气孔导度。改善植株光合作用会提高CO2的利用率，使胞间CO2浓度出现下降或者平稳的趋势。
　　(7)通过转录组测序的分析，得到了盐胁迫下GABA诱导的差异表达的基因，通过基因功能对比，选取了与试验生理指标相关的差异表达基因。在上调表达的基因中，有调控过氧化物酶体生物合成蛋白质的基因，有调控生长素响应因子的基因，有调控LHCⅡ型叶绿素a、b结合蛋白的基因。在下调表达的转录子中，有调控谷氨酸合成酶的基因，有调控吲哚-3-乙醛氧化酶，有调控脱落酸应答的基因。这些基因的上调或下调表达会引起与其对应的生理指标发生变化，从而在分子层面揭示在NaCl胁迫下GABA的功能和作用。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 盐胁迫对玉米的影响

1．2．2 玉米的耐盐机制

1．2．3 增强玉米耐盐能力的途径

1．2．4 γ-氨基丁酸(GABA)简介

1．2．5 GABA在植物体内的代谢途径

1．2．6 GABA对作物生长的调控

1．2．7 技术路线图

2 材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验设计

2．2．1 种子萌发试验设计

2．2．2 幼苗生长水培试验设计

2．2．3 转录组测序试验设计

2．3 测定指标及方法

2．3．1 种子萌发指标

2．3．2 幼苗形态和干鲜重指标测定

2．3．3 氧化损伤及抗氧化酶活性指标

2．3．4 光合系统指标测定

2．3．5 氮代谢相关指标测定

2．3．6 内源激素含量测定

2．3．7 转录组测序

2．4 数据分析工具

3 结果与分析

3．1 不同浓度的NaCl胁迫对种子萌发和幼苗生长的影响

3．1．1 种子萌发

3．1．2 幼苗生长

3．2 不同浓度GABA对NaCl胁迫下种子萌发和幼苗生长的影响

3．2．1 种子萌发

3．2．2 胚芽鞘和胚根长

3．2．3 α-淀粉酶活性

3．2．4 幼苗株高

3．2．5 幼苗茎叶干鲜重

3．2．6 幼苗根系生长

3．3 外源GABA对NaCl胁迫下玉米叶片氧化损伤及酶活性的调控

3．3．1 丙二醛含量

3．3．2 超氧阴离子含量

3．3．3 超氧阴离子组织化学定位

3．3．4 超氧化物歧化酶活性

3．3．5 过氧化物酶活性

3．3．6 过氧化氢酶活性

3．4 外源GABA对NaCl胁迫下玉米幼苗氮代谢的调控

3．4．1 可溶性蛋白含量

3．4．2 丙酮酸含量

3．4．3 内源GABA含量

3．4．4 谷氨酰胺合成酶活性

3．4．5 谷氨酸合成酶活性

3．4．6 谷氨酸脱氢酶活性

3．4．7 谷氨酸脱羧酶活性

3．5 外源GABA对NaCl胁迫下玉米幼苗内源激素的调控

3．5．1 生长素含量

3．5．2 赤霉素含量

3．5．3 玉米素核苷含量

3．5．4 脱落酸含量

3．5．5 IAA／ABA

3．5．6 GA／ABA

3．5．7 ZR／ABA

3．6 GABA对NaCl胁迫下玉米叶片光合系统的调控

3．6．1 SPAD值

3．6．2 光合速率

3．6．3 蒸腾速率

3．6．4 气孔导度

3．6．5 胞间CO2浓度

3．7 转录组测序数据的分析

3．7．1 测序数据质量统计

3．7．2 Clean data与参考基因组比对分析

3．7．3 Clean data与参考基因组比对分布图

3．7．4 差异表达基因分析

3．7．5 基因差异表达筛选

3．7．6 基因差异表达聚类分析

3．7．7 差异基因维恩图

3．7．8 差异表达基因GO富集分析

3．7．9 差异表达基因PATHWAY富集分析

3．7．10 差异表达基因的筛选及功能注释

4 讨论

4．1 GABA调控NaCl胁迫下种子萌发

4．2 GABA调控NaCl胁迫下幼苗形态建成

4．3 GABA调控NaCl胁迫下幼苗保护酶活性

4．4 GABA调控NaCl胁迫下幼苗氮代谢相关酶活性

4．5 GABA调控NaCl胁迫下幼苗内源激素含量

4．6 GABA调控NaCl胁迫下叶片光合系统

4．7 转录组测序

5 结论

创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文