氮素营养调节水稻水分状况和光合作用机制研究

摘要

我国是一个水资源紧缺的国家，又是一个农业生产大国，其中农业用水占全国总用水量的80％，而水稻用水量占农业用水量的70％以上，80％以上的稻田水因地表渗漏与水分蒸发而损失，水稻吸收和利用的水分不足灌溉水总量的20％，因此，发展水稻节水种植或水稻旱作具有重要的意义。旱作条件下，土壤中的氮素形态由铵态氮素转化为硝态氮素，前期研究结果表明，铵态氮素营养可以显著提高水稻的抗旱性，所以研究不同氮素形态对水稻抗旱性的影响可以指导水稻节水栽培。目前不同氮素形态和干旱胁迫对水稻根系的水分吸收能力的影响机制还不是完全清楚，需要进一步阐述。研究表明水通道蛋白(AQP)参与调节根系水分运输，那么AQP如何影响氮素形态对水稻的抗旱性差异？
　　另外，研究表明随着氮肥投入的增加，氮素利用效率显著降低，目前其利用效率大约为35％-40％。本课题组集中研究了高氮条件下，光合氮素利用率（PNUE）降低的机制，结果表明CO2在叶片内部传输的阻力是限制光合速率增加的原因。研究表明水通道蛋白(AQP)参与调节叶片CO2的传输，但是不同氮素浓度对AQP的影响还不是很清楚。
　　在本研究中，通过对水稻水通道蛋白(PIPs)功能的研究，阐述了其在水稻抗旱过程中的作用以及AQP是如何影响叶片的光合作用。实验通过供应不同氮素形态和PEG模拟干旱胁迫的方法，研究了水稻生长、根系水分吸收能力、根系AQP基因表达和活性以及植物激素（乙烯和ABA），重点研究了AQP对根系水分吸收能力的影响。此外，实验通过供应不同氮素浓度的氮素，研究了水稻光合效率、根系和叶片AQP的表达和活性以及AQP对叶绿体发育的影响，集中分析了AQP对叶片CO2传输能力的影响。主要结论有:
　　1、水稻水通道蛋白OsPIP2s有明显的水分传输功能，而OsPIP1s的水分传输功能较弱或者没有水分传输的功能。在蛙卵表达系统中，表达OsPIP2;2的蛙卵细胞的水分渗透能力显著增加，而OsPIP1;1和OsPIP1;2则没有这个功能;在酵母细胞中，表达4个OsPIP2s基因显著提高了细胞的水分渗透能力，其中OsPIP2;1的水分渗透性最强，水分渗透系数Pf约为0.45cm/s，与OsPIP2;5相比，OsPIP2;1的Pf增加了6倍，另外三个OsPIP1s的水分渗透能力显著低于OsPIP2s。
　　2、OsPIP2;1可以显著影响水稻地上部和根系的生长。沉默表达OsPIP2;1基因后，根系的生长和发育受到显著地抑制，根系形态指标总根长、根系表面积、根系体积和总的根尖数都显著低于野生型水稻，侧根的数目与总长度也显著低于野生型水稻;OsPIP2;1RNAi水稻地上部的生长受到了抑制，同时穗子的生长也受到影响;在OsPIP2;1RNAi材料中，根系的水流导度显著低于野生型水稻，与野生型水稻相比，转基因水稻根系水流导度下降了约80％;在干旱胁迫条件下，OsPIP2;1RNAi水稻地上部的生长受到显著地抑制，并且叶片卷曲。
　　3、在干旱胁迫条件下，铵态氮素营养通过增强水稻根系AQP的表达量和活性，增加根系的水流导度和水分吸收能力。在干旱胁迫条件下，铵态氮素营养可以维持地上部和根系的生长;干旱胁迫显著增加了铵态氮素营养水稻根系AQP的表达量、细胞原生质体的水分渗透性，以及根系的水流导度;供应铵态氮素营养水稻根系ABA含量高于硝态氮素营养水稻;在干旱胁迫条件下，硝态氮素营养水稻根系产生大量乙烯，从而可能抑制AQP的表达量和活性。
　　4、水稻水通道蛋白基因OsPIP1;1参与调节CO2在叶片中的传输。ospip1;1突变体水稻地上部的生长显著受到抑制，穗子的形成也受到了一定程度的影响;与野生型水稻相比，ospip1;1突变体水稻叶片的光合速率显著降低，测定光强越高突变体与野生型水稻光合速率差异越明显;与野生型水稻相比，突变体水稻叶肉导度显著下降，降低了约50％，并且突变体水稻叶片叶绿体CO2浓度显著低于野生型水稻，与野生型水稻相比，突变体水稻Cc降低了约30％; ospip1;1突变体水稻根系的水流导度与野生型水稻相比没有明显差异。
　　5、高氮条件下PNUE的降低和CO2传输阻力的增加有关，而AQP参与调节了这一过程。随着氮素浓度供应的增加，地上部生物量显著增加，氮素含量也显著增加;与低氮处理相比，高氮处理水稻叶片光合速率、叶肉导度显著增加;但是随着氮素浓度供应的增加，叶片光合氮素利用率(PNUE)显著降低;理论估算的叶绿体内CO2浓度(Cc)显著高于实际计算的Cc，并且随着叶片氮素含量的增加这种差异越明显，随着氮素浓度供应的增加，理论计算值和实际Cc数值的差异由84增加到了137μmol.mol-1;定量PCR结果表明，在高氮条件下，OsPIP1s和OsPIP2s的表达量显著低于低氮处理，而OsPIP1;1和OsPIP2;1的表达量和叶片传输CO2总导度呈现显著正相关关系。
　　6、不同氮素浓度供应对水稻根系和叶片AQP表达量和活性影响不一样。随着氮素浓度的增加，根系AQP表达量和活性显著增加;随着氮素浓度的增加，叶片AQP表达量和活性表现出下降的趋势;在高氮条件下，叶片的水势也表现出一定的下降趋势;高氮条件下，根系和地上部的水分平衡被打破，导致地上部水分供应不足;和野生型水稻相比，OsPIP2;1RNAi水稻叶绿体的体积有变大的趋势，表明AQP可能会影响叶片叶绿体的发育，从而影响叶片的光合作用。
　　综上，水稻水通道蛋白在根系水分运输和叶片中CO2运输过程中有重要的作用，在水分胁迫条件下，铵态氮素营养可以增强根系AQP的表达量和活性，从而提高根系的水分吸收能力，维持地上部的生长。在叶片中，高氮供应导致叶片PNUE显著降低， CO2在叶片中传输的阻力也显著增加，AQP参与调节了这一过程，同时不同氮素浓度供应通过影响根系和叶片中AQP表达量和活性，影响了水稻的水分平衡和以氮固碳的效率。

目录

声明

论文说明

摘要

主要缩略语

第一章 文献综述

1．1 植物水通道蛋白功能的研究进展

1．1．1 水通道蛋白(AQP)的分类

1．1．2 植物水通道蛋白的功能

1．1．3 植物水通道蛋白PIPs的水分传输功能

1．1．4 植物水通道蛋白PIPs的CO2传输功能

1．1．5 植物水通道蛋白和光合作用的关系

1．2 植物根系的水分吸收模型

1．3 不同氮素形态对水稻抗旱性的影响

1．3．1 不同氯素形态对植物生长的影响

1．3．2 不同氮素形态对水分吸收的影响

1．3．3 不同氮素形态对水稻抗旱性研究进展

1．4 不同氮素浓度供应对水稻生长的影响

1．4．1 高氮促进水稻生长

1．4．2 氮素浓度和光合速率的关系

1．4．3 高氮条件下以氮固碳效率降低

1．5 研究意义

1．5．1 AQP介导调节不同氮素形态对水稻抗旱性的影响

1．5．2 AQP介导调节高氮条件下以氮固碳效率降低的机制

1．6 研究思路

1．6．1 研究目标

1．6．2 研究思路

1．6．3 研究内容

1．6．4 技术路线

参考文献

第二章 水稻水通道蛋白(OsPIPs)在异源表达系统中水分传输功能分析

2．1 引言

2．2 材料方法

2．2．1 克隆OsPIP1；1、OsPIP1；2和OsPIP2；2，连接到蛙卵细胞表达载体

2．2．2 cRNA的体外合成

2．2．3 cRNA注射并测定表达效果

2．2．4 酵母表达系统构建

2．2．5 数据统计

2．3 结果与分析

2．3．1 OsPIP1s和OsPIP2s在异源表达系统-蛙卵细胞中水分传输功能比较

2．3．2 OsPIP1s和OsPIP2s在异源表达系统-酵母中水分传输功能比较

2．4 讨论

参考文献

第三章 OsPIP2；1在水稻生长中的作用

3．1 引言

3．2 材料方法

3．2．1 OsPIP2；1RNAi转基因水稻获得和鉴定

3．2．2 水培实验和土培实验

3．2．3 根系形态结构扫描与分析

3．2．4 根系水流导度测定

3．2．5 数据统计

3．3 结果与分析

3．3．1 OsPIP2；1RNAi材料的鉴定

3．3．2 OsPIP2；1对水稻生长的影响

2．3．3 OsPIP2；1对根系水流导度的影响

3．3．4 OsPIP2；1对水稻抗旱性的影响

3．4 讨论

3．4．1 OsPIP2：1影响水稻的生长

3．4．2 OsPIP2；1影响了根系的水分吸收

参考文献

第四章 干旱胁迫对不同氮素形态供应水稻根系水通道蛋白(AQP)表达量和活性的影响

4．1 引言

4．2 材料方法

4．2．1 水稻品种和培养条件

4．2．2 根系形态结构扫描分析和根系伸长速率测定

4．2．3 冰冻切片观察根系皮层细胞的细胞大小

4．2．4 根系RNA的提取以及定量PCR

4．2．5 提取根系原生质体并测定原生质体水分渗透能力

4．2．6 根系水流导度的测定

4．2．7 根系ABA含量的测定

4．2．8 根系乙烯产生量的测定

4．2．9 数据统计

4．3 结果与分析

4．3．1 不同氮素形态和干旱胁迫对水稻地上部生物量的影响

4．3．2 不同氨素形态和干旱胁迫对水稻根系生长的影响

4．3．3 不同氮素形态和水分条件对根系AQP基因表达、根系原生质体水分渗透性和根系水流导度的影响

4．3．4 不同氯素形态和水分条件对根系ABA产生的影响

4．3．5 不同氮素形态和水分条件对根系乙烯产生的影响

4．4 讨论

4．4．1 根系AQP表达量和活性的升高增加了水稻的抗旱性

4．4．2 AQP和乙烯对水稻根系生长的影响

参考文献

第五章 水稻水通道蛋白(OsPIP1；1)CO2传输固定过程中的作用分析

5．1 引言

5．2 材料方法

5．2．1 突变体水稻鉴定

5．2．2 材料水培与土培

5．2．3 水稻叶片光合速率和叶肉导度的估算

5．2．4 根系水流导度测定

5．2．5 数据统计

5．3 结果与分析

5．3．1 对水稻生长的影响

5．3．2 OsPIP1；1对水稻叶片光合速率的影响

5．3．3 OsPIP1；1对水稻叶片叶肉导度的影响

5．4 讨论

参考文献

第六章 AQP对不同氮素浓度供应水稻光合氮素利用率的调节

6．1 引言

6．2 材料方法

6．2．1 供试水稻品种

6．2．2 水稻培养与处理

6．2．3 测定项目

6．2．4 数据统计

6．3 结果与分析

6．3．1 不同氮素浓度供应对水稻生长的影响

6．3．2 不同氮素浓度供应对叶片光合速率的影响

6．3．3 不同氮素浓度供应对水稻叶片光合氮素利用率(PNUE)和叶绿体内CO2浓度的影响

6．3．4 不同氮素浓度供应对叶片OsPIPs基因表达量的影响

6．4 讨论

6．4．1 高氮条件下PNUE降低和叶绿体CO2浓度的关系

6．4．2 高氮条件下AQP对CO2传输的影响

参考文献

第七章 不同氮素浓度供应对水稻根系和叶片水分状况和AQP的影响

7．1 引言

7．2 材料方法

7．2．1 供试水稻品种

7．2．2 水稻培养与处理

7．2．3 根系与叶片RNA提取与定量PCR

7．2．4 根系与叶片原生质提取以及原生质体水分渗透性测定

7．2．5 水稻叶片叶绿体观察

7．2．6 数据统计

7．3 结果与分析

7．3．1 不同氮素浓度供应对根系AQP表达量和活性的影响

7．3．2 不同氮素浓度供应对叶片AQP表达量和活性的影响

7．3．3 不同氮素浓度供应对叶片水势的影响

7．3．4 OsPIP2；1对叶绿体发育的影响

7．4 讨论

7．4．1 不同氮素浓度供应处理对根系和叶片AQP的影响差异

7．4．2 AQP对叶绿体发育的影响以及对光合效率的影响

参考文献

全文结论

创新点与展望

附录

致谢

在读博士期间发表文章