马铃薯分根交替灌溉诱导的旱生生理机制和抗旱基因表达

摘要

分根交替灌溉是基于节水灌溉技术原理与作物感知旱生信号的理论而提出的。它是在部分根区干旱(PRD)技术的基础上发展而来。它是采取对作物一部分根区进行正常灌溉，对另一部分根区给予适度干旱胁迫，正常灌溉及适度干旱胁迫交替作用于作物根区，通过虚假早生信号刺激诱导相关基因活化与表达，进而增强植株生理活性，保证植株健康生长，提升作物水分利用效率。
　　本论文以马铃薯为研究对象，采取室内盆栽试验，在生育前期通过正常灌溉(CK)、分根交替灌溉(PRD)和干旱处理(DW)三种控水处理之后再复水的试验设计，系统研究分根交替灌溉(PRD)对马铃薯植株生长特性、光合特性、渗透调节特性、抗氧化酶等生理特性的影响，分析各项指标变化特点及基本规律，揭示分根交替灌溉处理对马铃薯影响的生理机理。并运用分子生物技术，研究马铃薯植株相关基因系统对旱生信号刺激的感知和传导所引起的分子反应。主要结论如下:
　　(1)分根交替灌溉能有效促进马铃薯植株整体生长势。控水灌溉复水后，马铃薯株高和叶面积的整体变化、植株干物质累积量和累积速率高于CK和DW处理。
　　(2)分根交替灌溉处理的马铃薯植株光合作用适应性强。PRD处理马铃薯净光合速率(PN)高，维持最大光合能力、光能转化效率高，为植株保持良好的生长创造基本条件。
　　(3)分根交替灌溉提高了马铃薯植株防失水能力。PRD处理共质体溶质浓度增加和渗透势降低，增加了细胞膨压。叶片保水持续时间长，植株抗旱性更强。
　　(4)分根交替灌溉能够增强细胞抗氧化酶生理活性。PRD处理的SOD、POD、CAT活性均高于CK和DW处理，而且随着含水量的降低导致植株抗氧化能力更强;PRD处理的MDA活性、活性氧含量和产生速率水平较其它两个处理低，受氧化胁迫轻。
　　(5)分根交替灌溉有利于马铃薯渗透调节物质的积累。PRD处理的马铃薯叶片脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等渗透调节物质累积量呈上升趋势，在PRD处理中渗透调节物质累积量在各个时期均高于CK和DW处理。局部、虚假的灌溉方式利于促进渗透调节物质积累，增强植株渗透保水能力，降低干旱胁迫的伤害。
　　(6)分根交替灌溉技术可有效提高灌溉水分利用效率，增加马铃薯产量。分根交替灌溉在减少叶片水分蒸发量的同时，刺激了植株再生长和吸收功能的补偿效应，使马铃薯产量比常规灌溉提高4.06％，灌溉水分利用效率比常规灌溉提高31.6％。
　　(7)分根交替灌溉可诱导增强水通道蛋白RD28基因表达能力。采用实时荧光定量PCR技术获得PRD处理的马铃薯叶片中RD28基因的相对表达量高，说明PRD处理诱导抗旱基因的表达能力强于其它处理，有利于增强植株的抗旱能力。
　　研究结果表明，应用根系分根交替灌溉技术可以有效提升马铃薯植株抗旱性能，提高植株生长品质，为实现节水增产的生产目的提供有效保障，可以通过进一步探索实践将该技术推广应用于田间模式。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 分根交替灌溉的提出和应用

1．3．2 分根交替灌溉对作物生长及生理特性的影响

1．3．3 分根交替灌溉对作物光合特性的影响

1．3．4 分根交替灌溉对作物渗透调节物质的影响

1．3．5 分根交替灌溉对作物水势的影响

1．3．6 分根交替灌溉对作物抗氧化酶和活性氧代谢影响

1．3．7 分根交替灌溉对作物产量及水分利用效率的影响

1．3．8 干旱诱导植物水通道蛋白研究进展

1．3．9 实时荧光定量PCR技术在基因差异表达研究中的应用

2 材料与方法

2．1 试验地点和气候特征

2．2 试验材料与试剂

2．2．1 供试材料

2．2．2 供试药剂

2．2．3 仪器设备

2．3 试验处理与设计

2．4 测定项目与方法

2．5 数据处理与分析

3 结果与分析

3．1 不同灌溉处理对马铃薯生长的影响

3．1．1 不同灌溉处理对马铃薯生长动态曲线的影响

3．1．2 不同灌溉处理对马铃薯株高的影响

3．1．3 不同灌溉处理对马铃薯叶面积的影响

3．2 不同灌溉处理对马铃薯光合特性的影响

3．2．1 不同灌溉处理对马铃薯叶绿素含量的影响

3．2．2 不同灌溉处理对马铃薯光响应曲线的影响

3．3 不同灌溉处理对马铃薯叶片P-V曲线的影响

3．3．1 不同灌溉处理对马铃薯叶片饱和状态下水势的影晌

3．3．2 不同灌溉处理对马铃薯叶片渗透势和渗透压的影响

3．3．3 不同灌溉处理对马铃薯叶片质壁分离时叶片相对含水量影响

3．3．4 不同灌溉处理对马铃薯叶片共质水和异质水相对含水量影响

3．3．5 不同灌溉处理对马铃薯离体叶片持水能力的影响

3．4 不同灌溉处理对马铃薯氧化生理活性的影响

3．4．1 不同灌溉处理对超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

3．4．2 不同灌溉处理对过氧化物酶(POD)活性的影响

3．4．3 不同灌溉处理对过氧化氢酶(CAT)活性的影响

3．4．4 不同灌溉处理对丙二醛(MDA)活性的影响

3．4．5 不同灌溉处理对活性氧含量(O2ˉ)的影响

3．5 不同灌溉处理对马铃薯渗透调节物质的影响

3．5．1 不同灌溉处理对马铃薯脯氨酸含量的影响

3．5．2 不同灌溉处理对马铃薯可溶性糖含量的影响

3．5．3 不同灌溉处理对马铃薯可溶性蛋白含量的影响

3．6 不同灌溉处理对马铃薯产量和水分利用率的影响

3．6．1 不同灌溉处理对马铃薯产量的影响

3．6．2 不同灌溉处理对马铃薯水分利用率的影响

3．7 不同灌溉处理对水通道蛋白RD28基因差异表达分析

3．7．1 总RNA提取

3．7．2 PCR反应

3．7．3 目的基因和内参基因的特异性扩增检测

3．7．4 不同灌溉处理对马铃薯RD28基因差异表达分析

4 讨论

4．1 分根交替灌溉促进马铃薯光合作用的机制

4．2 分根交替灌溉诱导马铃薯渗透调节的机制

4．3 分根交替灌溉诱导马铃薯氧化酶活性的机制

4．4 分根交替灌溉促进马铃薯产量增加和水分利用率提高机制

4．5 分根交替灌溉诱导RD28抗旱基因表达

5 结论

论文创新点

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文