氮素穗肥调控粳稻籽粒灌浆的代谢组学与转录组学研究

摘要

籽粒灌浆是决定水稻产量形成的关键过程，由多基因控制，并易受环境条件、栽培措施影响。氮素是影响籽粒灌浆及产量、品质最主要的营养元素。当前以超级稻品种应用为主的水稻高产栽培实践中，特别是高氮投入下时常发生因源不足导致的弱势粒灌浆不足，结实率低下是限制超级稻品种高产潜力发挥的重要原因。源库矛盾突出，特别是源不足已成为制约水稻高产、更高产的关键生理障碍，这为发展源库关系理论提供实践基础和动力源泉。基于源库关系揭示氮素调控粳稻籽粒灌浆的生理机制，对水稻高产、优质品种选育及栽培技术研发具有重要的理论意义和实际价值。 本研究以高产品种宁粳5号为材料，在盆栽条件设置处理:不施氮(N0)、低氮（LN）、中氮(MN)、高氮(HN)，采用氨基酸分析仪及代谢组学、转录组学等技术手段，比较灌浆期叶片、颖壳和籽粒氨基酸组分及其对氮素的响应，分析叶片和籽粒中基因表达动态变化，基于源库关系，解析氮素调控叶片和发育籽粒的基因表达特征和代谢网络，以期全面揭示氮素调控籽粒灌浆的生理与分子机制，为水稻栽培生理研究提供参考。主要结论如下: 1.利用氨基酸自动分析仪测定了不同氮素水平下叶片、颖壳和籽粒的氨基酸组成，并估算了叶片和颖壳对籽粒氮素的再分配率和贡献率。(1)在氨基酸组成上，颖壳与叶片相似，含量最高的4种氨基酸和最低的4种氨基酸排序完全一致，而籽粒与叶片和颖壳不同。(2)在氨基酸对氮素的响应上，颖壳和叶片对氮素较敏感，而籽粒相对稳定，尤其是强势粒。(3)在籽粒蛋白质贡献和响应上，叶片、强势粒颖壳(BS)和弱势粒颖壳(IS)对籽粒氮均有较高的再分配率，分别高达69.88％、69.62％和67.42％，贡献率分别高达23.38％、10.19％和9.77％。氮素显著增加了叶片的再分配率，降低了叶片和强势粒颖壳的贡献率，而对弱势粒颖壳无显著影响。综上，是水稻籽粒灌浆的一个重要氮源。 2.采用代谢组学技术，比较了灌浆期叶片、颖壳和籽粒代谢物的差异。从叶片、颖壳和籽粒中分别鉴定到196、189和248种代谢物，其主要类别为参与中心代谢途径及部分次生代谢途径的代谢物。(1)在代谢组上，颖壳和叶片的代谢物数量明显少于籽粒。叶片、颖壳和籽粒共有的代谢物有145种，叶片特有的代谢物有14种，颖壳特有的代谢物有5种，籽粒特有的代谢物有59种。叶片中多数代谢物含量没有呈现明显的变化趋势，颖壳中大多数代谢物呈现下降趋势，籽粒中绝大多数代谢物呈显著下降趋势。随发育进程推进，叶片、颖壳和籽粒中丙酮酸和α-酮戊二酸含量。叶片中柠檬酸和异柠檬酸上升，琥珀酸、延胡索酸和苹果酸下降，颖壳中琥珀酸、延胡索酸、苹果酸和异柠檬酸在灌浆中后期（15DAA后）显著提高，而籽粒中均显著下降。(2)在代谢组对氮素的响应上，氮素显著提高了谷氨酸、丙氨酸、丝氨酸等多数氮代谢物在叶片、颖壳和籽粒的含量，但作用时期不同，叶片在整个时期均有增加，颖壳主要表现在花后15之前，而籽粒则表现在花后10天之前。叶片磷酸己糖、蔗糖、海藻糖和糖醇等碳代谢物含量下降，碳源相对不足，己糖主要流向莽草酸途径和TCA循环。花后10之前，颖壳中磷酸己糖和糖醇类物质显著增加，而蔗糖和海藻糖含量下降。籽粒中大部分碳水化合物基本没有明显的规律或差异。(3)颖壳在物质代谢上介于源（叶片）和库（籽粒）之间。 3.采用RNA-seq技术，分析了灌浆期叶片、强势粒和弱势粒基因表达的氮素响应差异。从叶片、强势粒和弱势粒中分别鉴定了3077、395和309个差异基因。(1)在基因表达上，叶片的差异基因数远小于籽粒，且上调的基因数远小于下调的。强势粒的差异基因数大于弱势粒，上调的基因数小于下调基因数。(2)在基因表达对氮素的响应上，叶片的差异基因数远大于籽粒，而强弱势粒差异基因数差异较小。氮素增强了叶片中氮同化和氨基酸合成能力，尤其是芳香族氨基酸和含硫氨基酸，并转向木质素合成。叶片光合作用相关基因表达增强，提高了叶片的光合能力。叶片中糖酵解途径加强，但TCA循环和氧化磷酸化下降，可能是由于大量的PEP流向芳香族氨基酸代谢。叶片中TPP的表达增强，淀粉合成基因SS表达加强，蔗糖分解加强。籽粒中ABA合成基因ABA2和NCED表达增加，编码氨甲酰磷酸合成酶基因CPS亦增加。强势粒中IAA合成能力增加，而乙烯合成能力下降。强势粒中光合性能增强，合成淀粉的的关键基因AGPase和SS在灌浆前期显著上调，淀粉合成能力增强。弱势粒中TPP表达增强，而TPS没有显著差异，可能导致弱势粒T6P减少。弱势粒中合成Phe和Tyr的基因hisC表达增强。(3)氮素增强了强势粒果皮的光合能力，增强了淀粉和IAA合成能力，减弱了乙烯合成。而弱势粒T6P分解加强，Phe和Tyr合成能力增强。 综合以上结果，(1)在叶片中，增氮上调光合色素、光合磷酸化途径和碳同化途径中相关基因表达。同时，糖酵解途径增强，但TCA循环和氧化磷酸化下降，可能是由于大量的PEP流向芳香族氨基酸代谢。氮同化和氮代谢能力增强，尤其是芳香族氨基酸和含硫氨基酸代谢基因表达显著增强，绝大多数氨基酸及其衍生物含量显著增加。(2)在颖壳中，氮素显著增加灌浆前期己糖和糖醇类物质含量，降低蔗糖和海藻糖含量，多数氨基酸含量显著增加。(3)强势粒和弱势粒对氮素的响应机制不同。在强势粒中，光合性能增强，淀粉合成能力亦增强。ABA和IAA合成能力亦增加，而乙烯合成能力下降。弱势粒中TPP表达增强，而TPS没有显著差异，可能导致弱势粒T6P减少，从而调控碳氮代谢。弱势粒中编码合成Phe和Tyr基因hisC表达增强，蛋白质氨基酸中相对丰度增加。本研究对水稻高产、优质品种选育及栽培技术研发具有重要的理论意义。

目录

声明

摘要

第一章文献综述

引言

1氮素对水稻产量的影响

2氮素对稻米品质的影响

2．1外观品质

2．2碾米品质

2．3蒸煮食味品质

2．4营养品质

3水稻籽粒灌浆过程及其影响因素

3．1源对籽粒灌浆的影响

3．2籽粒灌浆的生理生化机制

3．3环境因素对籽粒灌浆的影响

4氮素对籽粒灌浆的影响及其机制

4．1氮素对叶片光合作用的影响

4．2氮素对籽粒生理生化过程的影响

5转录组学和代谢组学技术在水稻灌浆生理研究中的应用

5．1转录组学

5．2代谢组学

6研究的目的和意义

7本研究的主要内容

参考文献

第二章粳稻叶片、颖壳和籽粒的氨基酸组成及其对氮素的响应

1材料及方法

1．1供试材料

1．2测定方法

1．3统计分析

2结果与分析

2．1氮素对强弱势粒灌浆的影响

2．2叶片、籽粒及颖壳的蛋白质和氨基酸含量对氮素的响应

2．3叶片、籽粒和颖壳的氨基酸组成及其对氮素的响应

2．4叶片和颖壳氮的表观再分配率和贡献率

3讨论

3．1颖壳在植株氮素转移过程中的作用

3．2颖壳氮素对籽粒灌浆的作用

3．3氮代谢较弱可能是弱势粒灌浆不足的可能机制

4结论

参考文献

第三章水稻叶片、颖壳和籽粒代谢组对氮素的响应

1材料及方法

1．1供试材料

1．2测定项目及方法

2结果与分析

2．1颖果发育特征

2．2叶片、颖壳和籽粒的代谢组全谱分析

2．3叶片、颖壳和籽粒的代谢组动态变化特征

2．4氮素对叶片、颖壳和籽粒代谢通路的影响

3讨论

3．1灌浆过程中的叶片、颖壳和籽粒代谢组的变化特征

3．2氮素对叶片、颖壳和籽粒代谢生理的调控机制

3．3激素对籽粒灌浆的作用

4结论

参考文献

第四章水稻叶片和籽粒转录组学的氮素响应机制研究

1材料及方法

1．1供试材料

1．2测定项目及方法

2结果与分析

2．1数据质量评估

2．2叶片和籽粒差异基因表达的发育效应

2．3叶片和籽粒差异基因表达的氮素效应

2．4叶片基因表达对氮素的响应

2．5籽粒基因表达的氮素调控效应

3讨论

3．1氮素调控叶片代谢的生理机制

3．2强势粒和弱势粒在氮素响应上的差别

4结论

参考文献

第五章全文讨论与总结

1．1颖壳在水稻源库关系中的地位及其代谢生理特征

1．2．氮素影响籽粒灌浆的源库关系分析

2主要结论

3创新点

4不足之处

参考文献

附录

攻读博士学位期间已完成的论文

致谢