水稻分蘖芽萌发与休眠相互转换的激素调控和分子机制

摘要

分蘖是水稻的重要农艺性状之一，调控分蘖发生是塑造高质量水稻群体的一个重要手段。本研究采用水培、盆栽、大田等试验方式，通过氮素、外源激素和去穗等处理，构建了一系列水稻分蘖芽萌发与休眠相互转换的材料，研究了分蘖节分蘖芽和伸长节分蘖芽萌发与休眠转换过程中各种内源激素含量、相关基因表达以及蛋白组和转录组的变化，探讨了生长素、细胞分裂素和独角金内酯这3种关键激素在调控水稻分蘖芽休眠与萌发转换过程中所起的作用及其相互关系，分析了分蘖芽萌发与休眠转换过程中蛋白表达和基因表达的变化，从分蘖芽的萌发→休眠、休眠→萌发正反两个方面深入研究了水稻分蘖芽萌发与休眠相互转换的激素调控和分子机制，旨在为进一步采取化学手段调控水稻分蘖提供理论基础。主要研究结果如下:
　　(1)生长素(IAA)、细胞分裂素(CK)和独角金内酯(SLs)相互作用共同参与了水稻分蘖的调控。顶端生长素向下运输，通过抑制CK的合成和促进SLs的合成，抑制分蘖芽的萌发。CK运输到分蘖芽，通过上调FC1的表达，促进分蘖芽的萌发。SLs运输到分蘖芽，通过下调FC1的表达，抑制分蘖芽的萌发。CK能够抑制SLs的合成，但SLs对CK的合成无显著影响。CK对生长素的合成及运输无显著影响，但SLs与生长素之间存在负反馈调节作用，生长素促进SLs的合成，但SLs能够削弱生长素的运输，并降低生长素的含量。氮素等农艺措施显著影响内源激素的状态，氮素在显著促进CK合成的同时显著抑制了SLs的合成，并能够引起内源IAA含量的提高。
　　(2)通过分蘖芽休眠与萌发的蛋白组学研究，发现了一些参与调控分蘖芽休眠与萌发的能量代谢、物质代谢、蛋白质的合成和降解相关蛋白。分蘖芽由萌发转入休眠过程中激素合成和信号转导过程也发生变化，包括分蘖芽中CK的合成、PP2A蛋白调控的IAA信号转导及运输的减少，以及分蘖节中脱落酸(ABA)信号转导的增加。抽穗期分蘖芽休眠与萌发相互转换过程中维持顶端优势的信号转导途径相关蛋白表达下调，包括Rad23蛋白，芽中的小G蛋白等，这些蛋白都参与分蘖芽休眠与萌发转换的信号转导过程。除IAA、CK、SLs外，其他激素也参与分蘖芽的休眠与萌发，ABA和油菜素内酯(BR)分别参与抑制和促进分蘖芽的萌发，而赤霉素(GA)可能是分蘖芽萌发过程中的促进型激素。
　　(3)分蘖芽中生长素的合成以及运输有利于分蘖芽的萌发与持续生长，休眠的分蘖芽中生长素的运输被阻断，一方面因为生长素输出蛋白PIN降解的加剧，另一方面因为ARF-GAP的作用使PIN循环运输被干扰。CK进入分蘖芽中能够调节细胞周期和细胞分裂，推测这是CK刺激分蘖芽萌发的机制之一。当分蘖芽持续生长时，分蘖芽向茎中输出的生长素反过来抑制CK的合成，暗示CK更多的起刺激分蘖芽萌发的作用，分蘖芽的后续生长更依赖于生长素。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 分蘖发生的生物学特性

2 分蘖发生的激素调节过程

2．1 生长素及顶端优势

2．2 细胞分裂素

2．3 独角金内酯

2．4 细胞分裂素和独角金内酯对腋芽萌发的转录学调控

3 环境因素对分蘖发生的影响

3．1 温度、光照及水分对分蘖发生的影响

3．2 营养元素对分蘖发生的影响

4 分蘖发生的调控措施

4．1 肥水调控

4．2 化学调控

5．本研究的依据、目的、意义和研究内容

5．1 本研究的依据

5．2 本研究的目的和意义

5．3 本研究的主要内容

5．4 技术路线

参考文献

第二章 水稻分蘖芽休眠与萌发转换过程中激素信号转导

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目及方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 不同处理分蘖芽长度的变化

2．2 分蘖芽休眠与萌发转换过程中内源CK和IAA含量的变化

2．3 分蘖芽休眠与萌发转换过程中CK合成和降解相关基因的表达

2．4 分蘖芽休眠与萌发转换过程中IAA输出载体相关基因的表达

2．5 分蘖芽休眠与萌发转换过程中独角金内酯合成相关基因的表达

2．6 分蘖芽休眠与萌发转换过程中FC1基因的表达

3 讨论

参考文献

第三章 水稻分蘖芽休眠与萌发转换过程的蛋白质组研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 蛋白质的提取及含量测定

1．3 等电聚焦

1．4 SDS-PAGE

1．5 图像扫描与分析

1．6 蛋白质的酶解

1．7 质谱MALDI-TOF／TOF分析

2．结果与分析

2．1 分蘖芽休眠与萌发转换材料中蛋白质的表达变化

2．2 差异蛋白质的质谱鉴定和功能分析

3 讨论

3．1 氮素处理下水稻分蘖芽由休眠转向萌发过程中蛋白质的表达变化

3．2 NAA处理下分蘖芽由休眠转向萌发过程中蛋白质表达的变化

3．3 抽穗期倒二芽休眠与萌发转换过程中蛋白质表达的变化

参考文献

第四章 水稻分蘖芽休眠与萌发相互转换的iTRAQ和转录组研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 iTRAQ定量蛋白质组分析

1．3 真核生物基因表达谱芯片

2．结果与分析

2．1 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的基因和蛋白质

2．2 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的生长素合成及信号转导相关基因

2．3 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的细胞分裂素降解及信号转导相关基因

2．4 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的脱落酸合成及信号转导相关基因

2．5 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的油菜素内酯合成及信号转导相关基因和蛋白

2．6 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的赤霉素和茉莉酸合成相关基因

2．7 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的细胞周期相关基因

2．8 分蘖芽休眠与萌发转换过程中表达差异的信号转导及运输相关基因和蛋白

3 讨论

参考文献

第五章 全文讨论与结论

1 讨论

1．1 水稻分蘖芽休眠与萌发转换过程中的激素信号转导途径

1．2 调控水稻分蘖芽萌发与休眠转换的途径

2 主要结论

3 主要创新点

4 不足与展望

4．1 不足

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表和投稿的学术论文

致谢