钼对冬小麦抗旱能力及其抗旱信号转导的调控

摘要

钼是植物必需的微量元素之一，它可通过含钼酶调控植物碳、氮、硫和激素等代谢过程，对植物的生长具有重要作用。高等植物中含钼酶醛氧化酶(AO)和硝酸还原酶(NR)参与信号分子脱落酸(ABA)和一氧化氮(NO)合成，对调节植物的干旱胁迫耐性具有重要作用。因此，本研究在明确钼对冬小麦抗旱性影响的基础上，以含钼酶AO和NR调控的信号转导过程为主线，解析了钼提高冬小麦耐早性的生理和分子机理。主要获得以下结果:
　　1)研究发现施钼可提高冬小麦抗旱性，且钼低效品种对钼的响应更敏感。研究表明，施钼增强两个冬小麦品种光合作用，提高了生物量和产量，干旱胁迫下增产效应更明显;施镅降低冬小麦气孔导度(Gs)和蒸腾速率（Tr），导致叶片失水率降低，增加叶片相对含水量，从而提高冬小麦的水分利用率;干旱胁迫下施钼提高了冬小麦抗氧化酶活性以及非酶抗氧化剂含量，增强了抗氧化防御的能力，使活性氧的清除能力增强，缓解了膜脂的过氧化，导致脂质过氧化产物的降低;干旱胁迫下施钼增加冬小麦叶片渗透调节物质的含量，有利于维持细胞的膨压。
　　2)转录组(RNA-Seq)分析发现干旱胁迫下钼主要影响冬小麦根系生长、脂质代谢、细胞壁重塑、黄酮代谢及氧化还原等过程的基因表达。采用RNA-Seq技术，研究钼对冬小麦干旱响应基因表达的影响，结果表明:干旱胁迫6h后，缺钼与施钼处理差异基因509个（|Log2FC|≥1.5，P-value＜0.05），其中282个差异基因下调表达，227个差异基因上调表达，差异基因的基因表达验证结果与RNA-Seq结果基本一致;KEGG富集分析表明，差异基因功能主要富集在脂类代谢、黄酮类代谢、氮代谢、碳代谢、植物激素介导的信号转导和光合作用等过程;重点分析了钼对冬小麦根系生长、脂质代谢、氧化还原、细胞壁重塑及黄酮类物质代谢等过程的调控及其在钼提高冬小麦抗旱性中的作用。
　　3)明确了干旱胁迫下含钼酶NR和AO在增强冬小麦抗氧化胁迫中的作用。互补试验结果表明:施钼增加AO和NR的活性，促进了ABA和NO的合成，而两者的抑制剂分别降低了AO和NR的活性，同时也抑制了ABA和NO的合成，说明钼通过钼酶AO和NR分别调控ABA和NO的合成。钼增加抗氧化酶活性及其基因的表达，增强了活性氧的清除能力，而钼的这种效应被AO抑制剂、ABA合成抑制剂、MR抑制剂和NO清除剂逆转，而外源ABA和NO供体又能够恢复钼清除活性氧的能力，表明钼通过激活AO和NR的活性，促进ABA和NO的合成，从而增强了冬小麦抗氧化耐性。进一步的研究表明，钼和ABA诱导的抗氧化耐性被NO清除剂逆转，但又能够被NO供体恢复，表明钼增强冬小麦抗氧化耐性受ABA和NO信号调控，且ABA和NO信号存在一定程度的互作。
　　4)钼通过ABA信号途径影响抗旱基因的表达。在依赖ABA型信号途径中，钼主要通过影响转录因子基因Wabi5的表达，调控下游抗旱基因如Wrab17的表达，增强冬小麦的干旱耐性;在非依赖ABA型信号途径中，钼可能主要影响转录因子基因TaAIDFa的表达，调控下游抗旱基因如TaSnRK2.3和TaSnRK2.7的表达，进而增强冬小麦对干旱的适应性。钼通过调控抗旱基因的表达来增强冬小麦的干旱耐性可能存在品种的差异:品种97003可能通过依赖ABA型和非依赖ABA型信号途径，而品种97014主要通过依赖ABA型信号途径。
　　5)干旱胁迫下钼通过NO信号途径调控根系生长，进而影响水分吸收和矿质养分平衡。施钼和NO供体增加冬小麦侧根长、根尖数等形态参数，而NO清除剂降低了侧根长、根尖数等形态参数，说明钼促进冬小麦根系生长受NO信号的调控;冬小麦根尖数和侧根长与根系水分吸收速率显著正相关，同时施钼增加了根系水通道蛋白(AQPs)基因的表达，尤其是液泡膜内在蛋白基因（TaPIPs）的表达量，说明钼增加冬小麦根系水分吸收可能与发达的根系和AQPs的表达有关;进一步的研究发现，施钼降低了冬小麦叶片的蒸腾作用，增加了根系渗透物质钾、钙、镁的含量及其它矿质营养的含量，增加根系渗透压力，这一方面说明根压可能是钼促进根系水分吸收的动力，而非蒸腾拉力，另一方面说明钼可能通过增加矿质养分的吸收，进而调控其平衡。
　　6)施钼增加膜脂的含量及不饱和脂肪酸含量，影响膜的稳定性和流动性，进而增强冬小麦对干旱胁迫的适应能力。施钼通过调控冬小麦叶片和根系脂酶基因（TaMGDs、TaDGDs和TaAAPTs）的表达促进了脂质合成，增加了双半乳糖甘油二酯(DGDG)、单半乳糖甘油二酯(MGDG)、磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)等膜脂组分含量，且根系中增加幅度更大;干旱胁迫下施钼影响DGDG/MGDG和PC/PE的比值，进而调控细胞膜的稳定性;干旱胁迫下施钼增加冬小麦叶片脂肪酸去饱和酶基因表达，调控膜脂不饱和程度，有助于细胞膜流动性的增强。

目录

论文说明

声明

摘要

缩略语表(Abbreviations)

1 文献综述

1．1 钼在植物中的生理功能

1．1．1 高等植物中的钼辅因子与含钼酶

1．1．2 植物钼营养与碳氮代谢

1．1．3 植物钼营养与信号分子的产生

1．2 钼营养与植物抗逆性

1．2．1 钼营养与植物抗旱性

1．2．2 钼营养与植物抗寒性

1．2．3 钼营养与植物抗盐性

1．3 植物抗旱机理研究进展

1．3．1 植物响应干旱的生理变化

1．3．2 植物响应干旱的分子机理

1．3．3 植物细胞膜脂的变化与干旱耐性

1．3．4 植物响应干旱的信号网络

1．4 转录组学在抗逆研究中的应用

2 研究背景、内容及技术路线

2．1 研究背景

2．2 研究内容

2．3 技术路线

3 钼对冬小麦抗旱能力的影响及其生理基础

3．1 钼对冬小麦抗旱能力的影响

3．1．1 引言

3．1．2 材料与方法

3．1．3 结果与分析

3．1．4 讨论

3．2 钼对干旱胁迫下冬小麦抗氧化、渗透调节和水分利用能力的影响

3．2．1 引言

3．2．2 材料与方法

3．2．3 结果与分析

3．2．4 讨论

3．2．5 小结

4 RNA-Seq技术研究钼对冬小麦干旱响应基因表达的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验方案

4．2．3 RNA测序

4．2．4 测序数据的质控与序列比对

4．2．5 表达量分析和差异表达基因的筛选

4．2．6 差异基因功能注释与富集

4．3 结果与分析

4．3．1 RNA测序质量评估

4．3．2 样本间表达量评估

4．3．3 差异基因

4．3．4 差异基因的GO注释和GO富集

4．3．5 差异基因的KEGG富集

4．3．6 根系生长相关差异基因

4．3．7 氧化还原相关差异基因

4．3．8 黄酮物质代谢相关差异基因

4．3．9 细胞壁重塑及其多糖平衡相关差异基因

4．3．10 脂质代谢相关差异基因

4．3．11 差异转录因子基因

4．4 讨论

4．4．1 钼维持冬小麦在干旱胁迫下的氧化还原平衡

4．4．2 钼可能调控冬小麦根系的生长

4．4．3 钼对冬小麦脂质代谢过程的调控

4．4．4 钼对冬小麦黄酮类物质代谢的调控

4．4．5 钼可能参与调控细胞壁多糖的平衡及其重塑

4．4．6 转录因子在钼介导的干旱耐性中的作用

4．5 小结

5 钼对冬小麦ABA和NO合成及其介导的抗氧化耐性的影响

5．1 钼对冬小麦ABA合成及其介导抗氧化耐性的影响

5．1．2 材料与方法

5．1．3 结果与分析

5．1．4 讨论

5．1．5 小结

5．2 钼对冬小麦NO产生及其介导的抗氧化耐性的影响

5．2．1 引言

5．2．2 材料与方法

5．2．3 结果与分析

5．2．4 讨论

5．2．5 小结

5．3 NO是ABA介导钼诱导冬小麦抗氧化耐性的调控因子

5．3．1 引言

5．3．2 材料与方法

5．3．3 结果与分析

5．3．4 讨论

5．3．5 小结

6 钼通过ABA调控冬小麦抗旱基因的表达

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 试验材料

6．2．2 试验方案

6．2．3 测定项目及方法

6．2．4 数据分析

6．3 结果与分析

6．3．1 冬小麦叶片AO活性

6．3．2 冬小麦依赖ABA型转录因子表达量

6．3．3 冬小麦依赖ABA型抗旱基因表达量

6．3．4 冬小麦非依赖ABA型转录因子表达量

6．3．5 冬小麦非依赖ABA型抗旱基因表达量

6．4 讨论

6．4．2 钼提高冬小麦干旱耐性可能也受非依赖ABA型抗旱基因表达的影响

6．5 小结

7 钼通过NO调控冬小麦根系的生长及其对水分吸收和养分平衡的作用

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．1 试验材料

7．2．2 试验方案

7．2．3 测定项目及方法

7．2．4 数据分析

7．3 结果与分析

7．3．1 冬小麦根系钼含量和根系形态参数

7．3．2 钼促进冬小麦根系的生长受NO的调控

7．3．3 冬小麦根系水分吸收

7．3．4 冬小麦叶片蒸腾作用

7．3．5 冬小麦根系水通道蛋白表达量

7．3．6 冬小麦根系和叶片矿质元素含量

7．4 讨论

7．4．1 钼通过NO信号促进干旱胁迫下冬小麦根系的生长

7．4．2 根压可能是钼促进冬小麦根系吸水的动力

7．4．3 钼增加冬小麦根系水分的吸收可能与发达的根系和水通道蛋白的表达有关

7．4．4 钼促进干旱胁迫下冬小麦矿质营养的吸收和维持其平衡

7．5 小结

8 钼对干旱胁迫下冬小麦脂质代谢的影响

8．1 引言

8．2 材料与方法

8．2．1 试验材料

8．2．2 试验方案

8．2．3 测定项目及方法

8．2．4 数据分析

8．3 结果与分析

8．3．1 冬小麦生长特性,nn-[-绿体超微结构

8．3．2 冬小麦半乳糖脂含量和组分

8．3．3 冬小麦磷脂含量和组分

8．3．4 冬小麦脂质合成相关脂酶基因表达量

8．3．5 冬小麦脂质不饱和程度

8．3．6 冬小麦膜脂过氧化

8．4 讨论

8．4．1 钼在脂质代谢中的作用

8．4．2 施钼增加膜脂含量有助于增强冬小麦在干旱胁迫下的适应能力

8．5 小结

9 全文讨论与总结

9．1 全文讨论

9．2 主要结论

9．3 创新点

9．4 展望

参考文献

附录

致谢