H2O2和乙烯介导不同氮形态引起根际pH变化影响水稻铁营养及生长的研究

摘要

水稻（Oryza sativa L.）作为重要的粮食作物之一，占所有谷类作物种植面积的1/3。铵态氮（N-NH+4）和硝态氮（N-NO-3）是植物利用的两种主要氮素形态，水稻具有较强的铵态氮同化能力，铵态氮相对于硝态氮更有利于水稻的生长，一般认为水稻是典型的喜氨作物，但其中涉及的生理及分子机制并不清楚。本研究通过设置不同氮源与 pH处理，确定了水稻在硝态氮下的生长抑制与根际 pH升高有关。随后从生理，代谢，转录水平分析了水稻在不同pH条件下H2O2和乙烯介导的信号途径之间的关系，从而明确了这些因素综合影响导致水稻对高pH敏感并导致缺铁的原因。获得的主要结论如下：
　　1水稻喜氨与水稻适应酸性环境而对碱性环境敏感密切相关
　　水稻是喜氨作物，单一硝态氮营养会导致水稻生长受到抑制，首先表现出地上部新生叶黄化和根系褐化，伴随着大量的铁锰氧化物沉积在根系表面，在pH7.5的条件下水稻停止生长，地上部黄化。进一步研究发现控制硝态氮营养液中pH为5.5时，这种抑制现象消失并且水稻生长情况与在铵态氮中一致，这说明水稻不适应偏碱性的根际环境。同时我们调查了4种旱地植物（大麦，小麦，油菜，拟南芥）NH+4和NO-3及外界pH的响应差异，结果表明高pH对4种以硝态氮为主要氮源的旱地植物生长无明显影响，这一结果表明不同作物对NH+4/NO-3的偏好与其长期生长的酸碱环境有关，很可能是长期的自然适应结果。
　　2高pH条件导致水稻缺铁，并诱导铁转运相关基因表达
　　高pH条件下水稻新生叶片黄化表型与缺铁有关，叶片喷施铁营养能够恢复新叶的黄化表型。通过分析不同pH条件下水稻根系中与铁吸收相关的基因表达，发现受缺铁诱导表达的转录因子OsIRO2，OsNAC1在根中的表达水平上升了2.5和3.8倍。二价铁转运蛋白 OsNRAMP1，OsIRT1，OsIRT2和 OsYSL2的表达水平分别上升了2.2，7.5，3.1和12.4倍，三价铁转运蛋白OsYSL15的表达水平上升了1.3倍，其中OsIRT1和OsYSL15在水稻根系中的表达量要远高于其它转运蛋白。除此之外，与二价铁载体尼克酰胺（NA）合成相关的基因OsNAS1，OsNAS2，OsNAS3的表达水平也提高了1.1，2.7，1.8倍；三价铁载体麦根酸（DMA）合成的关键基因OsNAAT1的表达水平提高了2倍。这些发现从分子水平上验证了高pH条件导致了水稻缺铁，也说明了高pH诱导缺铁不是铁转运系统缺陷所导致的。
　　3高pH诱导的H2O2提高了根际氧化力
　　水稻地上部的缺铁症状与根系质外体铁膜的形成有关，ROS，特别是 H2O2的含量受到根际pH影响。H2O2介导了根系通气组织的形成，进而提高了根际氧化力；同时H2O2诱导了根系过氧化物酶（Prxs）的活性及基因表达，过氧化物酶极有可能直接催化H2O2与二价铁反应:Fe2++H2O2=Fe3++OH-+OH?，促进根系表面铁膜的形成。
　　4 H2O2通过苯丙烷代谢调控酚酸代谢，影响根系质外体铁活化
　　细胞壁结合的酚酸含量受到根际 pH影响，随着 pH升高而降低。同时体外铁的活化试验证明高pH条件下根系酚酸提取物的活化铁能力降低，LC-MS测定结果发现羟甲香豆素，肉桂酸，咖啡酸，和原儿茶酸的相对含量，分别相对于对照处理（pH6）降低了33、9.3、2.4、12.7倍，说明酚酸的代谢受到根际pH的调控，并且影响了根际质外体铁的活化。分析转录组数据发现不同pH条件下参与苯丙烷代谢（Ko00940）的差异表达基因共有468个，占整个代谢通路注释基因的98.4％，富集程度在所有代谢通路中最高；发现参与木质素合成的基因的表达受根际pH调控，随着pH升高表达量呈现上升的趋势，同时木质素合成增多。通过外源添加过氧化氢清除剂及过氧化氢的方法证明 H2O2通过调控苯丙烷代谢，影响质外体铁的活化。
　　5乙烯通过抑制质膜H+-ATPase酶活性负调控水稻的耐碱性
　　机理I植物通过加强质子分泌酸化根际环境的机制是植物适应碱性环境重要的策略，但是水稻根系质膜H+-ATPase酶活性在高pH条件受到抑制，这可能是水稻不耐碱的重要原因。我们发现高 pH条件下其活性降低为翻译后调控，因为H+-ATPase基因的转录水平没有差异。同时我们注意到乙烯的合成在高 pH条件下被促进，通过外源添加乙烯前体物及突变体证明乙烯参与了高pH条件下水稻生长的抑制；特别是根尖非侧根区缩短，根尖细胞长度变小。外源添加 ACC或者乙烯作用抑制剂（Ag+）原位观察介质中根际酸碱度的变化及测定根尖质子流速，说明乙烯负调控质子泵酶活性。乙烯可能通过增强H2O2信号激活了下游的MPK激酶磷酸化H+-ATPase，降低其活性。
　　综上研究结果，我们发现高pH条件下H2O2和乙烯通过调控水稻根系的酚酸的代谢及质膜H+-ATPase酶活性影响了水稻根系质外体铁的活化利用和生长。

目录

声明

缩略词表

1 文献综述

1.1水稻氮营养

1.2高pH对植物生长发育的影响

1.3植物铁吸收机制

1.4 H2O2与逆境胁迫

1.5 植物次生代谢与抗氧化胁迫

2课题的研究背景、内容和技术路线

2.1研究背景

2.2研究内容

2.3技术路线

3不同氮素形态与pH对作物生长及铁营养的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4 讨论

3.5小结

4 根际pH对水稻根系活性氧代谢的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与分析

4.4讨论

4.5小结

5 根际pH对水稻根系苯丙烷代谢的影响及与质外体铁吸收的关系

5.1引言

5.2材料与分析

5.3结果与分析

5.4讨论

5.5小结

6 乙烯通过抑制质膜H+ATPase活性负调控水稻的耐碱性

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果与分析

6.4讨论

6.5小结

7 全文讨论

8 结论、创新点和展望

8.1主要结论

8.2创新点

8.3不足

8.4展望

参考文献

附录

致谢