小麦种子萌发及幼苗生长对高铵胁迫的响应机制

摘要

氮素是小麦生长所需的最大量的营养元素，也是最主要的限制因素。铵态氮(NH4+)，不仅可以直接被植物根系吸收和同化，提高能量利用率，还减少土壤氮淋失造成的水土污染。因此，降低土壤中NH4+硝化从而维持较高的NH4+浓度将有利于进一步提高作物氮肥利用率和产量。然而，高浓度NH4+营养环境对旱地作物带来不利的影响。小麦生产中重施基种肥以及缓释氮肥的施用使种子萌发及幼苗生长期易遭受短期高铵胁迫，从而影响种子萌发和幼苗生长发育，进而造成产量降低。因此，增强作物的耐铵性将为未来高效氮肥管理提供可能，而明确小麦种子萌发及萌发后幼苗生长对高铵胁迫的响应机制和调控途径，将为探索缓解高铵胁迫对小麦生长的影响奠定基础，也为未来筛选耐铵性品种提供理论依据。本研究通过水培试验，在筛选出适宜高铵胁迫浓度和不同耐铵性品种的基础上，以两个小麦品种豫麦49（耐高铵型）和鲁麦15（高铵敏感型）为材料，从种子萌发综合物质代谢、激素平衡、幼苗抗氧化系统、碳氮平衡、根系蛋白质组学等方面研究了小麦种子萌发及萌发后幼苗生长对高铵胁迫的响应机理，并分析了外源硝态氮对高铵胁迫的缓解效应和调控机制。主要研究结果如下: 1、分析了高铵胁迫下小麦种子萌发的基因型差异。与5.0mM硝态氮（对照）相比，在5.0mM的高铵环境下24个小麦品种种子发芽率、总根长、根数、株高、植株干重显著降低，以小麦胚根长度、胚芽鞘长度及干重、根冠比耐性指数为指标，经过聚类分析将参选品种分为3类:高铵敏感型、中间型和耐高铵型。其中，豫麦49为耐高铵型品种;鲁麦15为高铵敏感型品种。 2、明确了小麦种子萌发对高铵胁迫的响应机理。以两个高铵胁迫响应差异明显的代表性品种豫麦49（耐高铵型）和鲁麦15（高铵敏感型）为材料，研究了高铵胁迫对小麦种子萌发的影响。结果表明，高铵胁迫显著降低了两个小麦品种种子发芽率、株高、根长和植株干重，且鲁麦15降低量显著高于豫麦49。与对照相比，高铵胁迫下，两个小麦品种萌发种子内α-淀粉酶活性，游离氨基酸和可溶性糖生成含量显著降低，且豫麦49降低幅度显著低于鲁麦15;同时，高铵胁迫降低了萌发种子内ATP含量，SOD和POD活性，但增加了MDA含量。高铵胁迫下，鲁麦15萌发种子内GA3含量明显低于对照，而豫麦49无明显差异;两个小麦品种萌发种子内ABA和ABA/GA3含量显著高于对照。以上结果表明，高铵胁迫抑制种子萌发贮藏物质动员，减少能量提供，减缓萌发种子内物质活化，从而阻碍小麦种子萌发。此外，与对照相比，高铵胁迫明显增加了两个小麦品种胚根游离氨基酸和可溶性糖含量，但降低了胚芽鞘可溶性糖含量和胚芽鞘/胚根糖含量，豫麦49具有较高的植株游离氨基酸和可溶性糖含量。高铵胁迫下，两个小麦品种胚芽鞘PK、PEPc和GS活性显著低于对照，豫麦49降低幅度低于鲁麦15;而胚根PK、PEPc和GS活性显著高于对照，豫麦49增加幅度高于鲁麦15，说明高铵胁迫下，胚根可溶性糖利用和铵同化能力增强。品种间比较，豫麦49具有较强的可溶性糖利用和铵同化能力，因此具有较强的耐铵性。 3、解析了小麦幼苗根系生长对高铵胁迫的响应机理。随着高铵胁迫时间的延长，两个小麦品种幼苗株高、根长和植株干重显著低于对照，根系平均直径增加，且豫麦49变化幅度显著低于鲁麦15。与对照相比，高铵胁迫显著增加了两个小麦品种根系抗氧化酶活性，O2·-释放速率、H2O2、MDA含量和脂氧化酶蛋白表达量;但降低了根系肌醇-1-磷酸合成酶蛋白表达量，且豫麦49变化幅度显著低于鲁麦15，说明高铵胁迫提高了小麦幼苗根系抗氧化保护能力。此外，与对照相比，高铵胁迫增加了两个小麦根系APX、MDHAR、DHAR活性和DHA/ASA含量，但降低了根系ASA含量，GMPase活性，蛋白质二硫键异构酶、增值细胞核抗原、肌动蛋白解聚因子等蛋白表达量，说明高铵胁迫增加了抗坏血酸循环再生和降解能力，降低了其合成能力，导致根系内氧化还原状态失衡，影响根系细胞活力，细胞增殖能力和蛋白质折叠和修饰功能，进一步影响小麦幼苗根系生长。与对照相比，高铵胁迫下，两个小麦品种根系IAA、CTK和IAA/CTK含量显著降低，且豫麦49根系降低幅度低于鲁麦15，说明高铵胁迫下，IAA和CTK平衡的改变影响了小麦幼苗根系生长。 4、初步探明了外源硝态氮对高铵胁迫的缓解效应和调控机制。外源硝态氮显著增加了高铵胁迫下两个小麦品种株高、根长和植株干重，且豫麦49增加幅度显著高于鲁麦15。短期高铵胁迫下，外源硝态氮显著增加了两个小麦品种地上部和根系IAA、CTK和IAA/CTK含量，其中地上部IAA、CTK、IAA/CTK含量和根系CTK含量高于对照，而根系IAA和IAA/CTK含量低于对照，豫麦49变化量高于鲁麦15，说明外源硝态氮通过增强小麦幼苗内IAA和CTK合成、转运以及二者平衡，进一步缓解高铵胁迫对小麦幼苗生长的影响。此外，外源硝态氮显著降低了短期高铵胁迫下两个小麦品种O2·-、H2O2和MDA含量，但高于对照;增加了豫麦49根系SOD和POD活性，且高于对照;鲁麦15根系中SOD、POD和CAT活性与对照相比无显著差异，说明外源硝态氮下，豫麦49保持较强的抗氧化保护能力，有效清除植物体内活性氧，达到促进小麦幼苗生长的目的。长期高铵胁迫下，外源硝态氮显著增加了两个小麦品种株高、根系和干重，且豫麦49增加幅度高于鲁麦15。外源硝态氮明显增加了长期高铵胁迫下两个小麦品种IAA、CTK和IAA/CTK含量，但对两个小麦品种O2和MDA含量，SOD和POD活性无明显缓解作用。 综上所述，高铵胁迫影响了萌发种子ABA/GA3平衡，降低了淀粉酶活性，进而减缓贮藏物质动员，降低能量供应，抑制小麦种子萌发。高铵胁迫诱导小麦幼苗根系过量活性氧积累，提高了抗氧化保护能力，影响了根系氧化还原平衡，导致细胞活力，细胞增殖能力和蛋白质折叠受损，进而抑制了根系生长。高铵胁迫下，小麦根系吸收积累的游离铵以及增强的PEPc、PK和GS活性和可溶性糖，有助于为根系铵同化提供更多碳骨架。在种子萌发期，耐高铵型品种因较强的萌发贮藏物质动员和能量供应能力，从而具有良好的幼苗形态建成;在幼苗期，耐高铵型品种不仅通过较高的抗氧化酶活性和DHA/ASA含量，维持较强的抗氧化保护能力;还因较高的IAA/CTK含量，从而具有较强的根系生长能力。外源硝态氮影响了高铵胁迫下幼苗IAA/CTK平衡，提高了抗氧化保护能力，从而促进了幼苗生长。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章文献综述

1高铵胁迫的形成

2．1植物体内铵的存在形式

2．2植物对NH4+的吸收与运转

2．3植物NH4+毒害的特征和机理

3．1种子萌发

3．2高铵胁迫对种子萌发的影响

3．3高铵胁迫下种子萌发及幼苗生长与激素的关系

3．4高铵胁迫对植物幼苗生长抗氧化系统的影响

3．5高铵胁迫对植物幼苗生长氮同化和呼吸代谢的影响

4本研究的目的和意义

第二章高铵胁迫下小麦种子萌发的基因型差异

1．1实验设计

1．2测试项目与方法

1．3数据分析

2结果与分析

2．1小麦适宜高铵胁迫浓度的筛选

2．2小麦耐高铵基因型筛选

3讨论与小结

3．1适宜高铵胁迫浓度的确定

3．2小麦耐高铵胁迫基因型筛选

参考文献

第三章小麦种子萌发对高铵胁迫的响应特征

1．1实验设计

1．2测试项目与方法

1．3数据分析

2结果分析

2．1发芽率与胚根形态

2．2贮藏物质动员

2．3萌发种子抗氧化系统活化

2．4 ABA和GA3含量

2．5游离氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量

2．6 PK、PEPc和GS活性

2．7幼苗抗氧化代谢

3讨论与小结

参考文献

第四章高铵胁迫对小麦幼苗根系生长的影响

1．1实验设计

1．2测试项目与方法

1．3数据分析

2．1植株形态

2．2活性氧代谢

2．3抗坏血酸和脱氢抗坏血酸含量

2．4MDHAR和DHAR活性

2．5 GMPase和AAO活性

2．6生长素和细胞分裂素含量

2．7游离铵、氨基酸和可溶性糖含量

3讨论与小结

参考文献

第五章高铵胁迫下小麦幼苗根系蛋白的表达特征

1材料与方法

1．1实验设计

1．2测试项目与方法

2结果与分析

2．1蛋白质鉴定结果基本信息

2．2差异表达蛋白的功能分类

3讨论与小结

3．1碳水化合物和能量代谢相关蛋白

3．2胁迫响应相关蛋白

3．3蛋白质合成相关蛋白

3．4细胞生长相关蛋白

3．5脂质代谢相关蛋白

参考文献

第六章外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长的调控效应

1．1实验设计

1．2测试项目与方法

1．3数据处理

2结果与分析

2．1外源硝态氮对短期高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响

2．2外源硝态氮对长期高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响

3讨论与小结

参考文献

第七章讨论与结论

1讨论

1．1小麦种子萌发耐高铵胁迫基因型差异

1．2高铵胁迫对小麦种子萌发的影响

1．3高铵胁迫对小麦幼苗生长的影响

1．4外源硝态氮对高铵胁迫下小麦幼苗生长的影响

2结论

3本研究的创新之处

4研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表和完成的研究论文