水稻幼苗铁吸收与转运的基因型差异及生理机制研究

摘要

铁是植物生长的必需矿质元素，参与植物的呼吸光合及一系列生理代谢过程。铁在地壳中含量丰富，但是因其多以可溶性极低的氧化物形式存在，因此，植物缺铁在农业中是个普遍存在的问题，其失调不仅影响植物对环境的适应性和耐受性，限制植物生长、籽粒中的铁含量，而且会通过食物链影响人类和动物的营养状况。解决植物缺铁问题是改善人类和动物营养问题的关键。水稻是世界和我国的主要粮食作物，近2/3的人口以大米为主食。因此，富铁水稻的研究已成为当今的热点方向。本课题选用富铁品种(H9405)和常规品种(Yang6)为材料，本研究用蛋白组学的方法找出缺铁差异蛋白涉及的主要生理代谢途径，根据这些生理途径，分别从营养生长代谢、光合特性、抗氧化系统、基因表达等角度深入探讨比较两种基因型水稻对缺铁的响应差异，探明富铁品种与常规品种在吸收利用铁方面的异同，并结合长距离信号调控证据，提出了水稻应对缺铁时的生理响应机制。主要研究结果如下:
　　1.两种基因型水稻生长对不同形态铁响应不同
　　研究了不同铁素形态对不同基因型水稻幼苗生长指标的影响，包括铁含量、叶绿素含量、叶片和根系超微结构等方面。研究表明，两品种对不同铁素形态处理有不同响应。对于富铁品种H9405，在不同铁素供给情况下，测定各项生理指标显示其对不同价态铁都有较高的吸收利用效率，生长并没有受到抑制，而Yang6则只在三价铁供给时适应良好，在二价铁供给时生长显著受到抑制，这也是富铁品种对缺铁有更好耐受性的体现并且富铁的原因。
　　2.水稻叶片和根的蛋白质组对缺铁的响应
　　为了探明水稻在缺铁环境在蛋白组水平的响应，本研究选用常规品种Yang6为材料，研究了其地上部和地下部蛋白对缺铁环境的响应。利用双向电泳技术研究了水稻叶片和根蛋白质组对缺铁响应。共检测到73个蛋白质在缺铁处理后表达发生变化。通过串联质谱技术成功鉴定到63个蛋白质。其中40个为叶片差异蛋白，23个为根系差异蛋白。这些蛋白质涉及光合代谢，碳代谢，抗氧化系统，ATP能量合成，细胞生长及信号传导等方面。本研究在蛋白质水平理解水稻对缺铁响应提供了丰富的信息。根据蛋白质组的结果，后面各章的研究从生长、光合特性、能量代谢、抗氧化系统及信号传导等方面对两品种水稻进行了缺铁响应的比较。
　　3.缺铁抑制两种基因型水稻生长及铁元素吸收分配
　　研究了缺铁对不同基因型水稻幼苗生长及铁元素吸收分配的影响。研究表明，缺铁对两品种水稻的株高、根长、干重生长有抑制作用。试验还发现，缺铁处理影响水稻幼苗对铁元素的吸收，减少了铁元素在地上部和地下部的分配积累。进一步分析缺铁对两品种矿质元素吸收的影响发现，H9405的铁在植株中的分配主要在地上部，而Yang6的铁主要积累在根部。揭示了富铁品种可能具备较强的铁从根系转到地上部的运输能力，从而可能对缺铁环境有更好的耐受性。
　　4.缺铁影响两种基因型水稻抗氧化系统及光合特性
　　研究了缺铁对不同基因型水稻幼苗抗氧化系统的影响。研究表明，因基因型不同，常规品种Yang6和富铁品种H9405的抗氧化清除系统对于缺铁响应也不同。Yang6品种在缺铁处理后，根系和叶片的抗氧化系统均被启动，而H9405品种只有根系抗氧化系统被启动，叶片并无显著变化。同样说明常规舍铁量水稻品种的抗氧化系统对缺铁响应更为敏感。
　　铁元素不仅是叶绿体合成的前体，植物体内许多含铁化合物都参与了光合作用过程中的一些反应，无疑缺铁会影响光合作用的正常进行。本文研究了两种基因型水稻幼苗缺铁处理后叶绿素含量、光合速率、叶片和根系超微结构的响应。缺铁后，两品种的叶绿素含量都显著下降，且Yang6的下降幅度显著大于H9405品种，H9405的地上部含铁量高于Yang6品种，我们推测在缺铁情况下，H9405地上部储备的铁可以补偿一部分因缺铁导致的影响。同样的原因可以解释光合速率、叶片和根系超微结构方面两品种对缺铁的不同响应。
　　5.缺铁诱导两种基因型水稻铁吸收和转运基因响应及长距离信号调控证据
　　在缺铁环境下，比较了常规品种Yang6和富铁品种H9405的铁吸收转运基因表达响应。结果表明，根系中的铁吸收相关基因在缺铁时，两品种都呈现上调，且常规品种的上调幅度大于富铁品种;地上部反应则相反，富铁品种H9405的转运基因显著上调，而常规品种Yang6的铁转运基因都显著下调。结果分析表明根吸收和地上部维管束转运铁相关的基因对于缺铁环境的响应可能与水稻品种的地上部和地下部铁含量有关联，同时由于信号的长距离运输，地上部响应可能早于地下部。
　　长距离信号反馈调节在植物养分吸收中占重要地位，地上部产生的信号与根系吸收养分的能力密切相关。目前信号产生的机理并不清楚，本研究在前文各章中已经推测缺铁时地上部会产生信号通过韧皮部转运到地下部进行调控，为了验证在缺铁后水稻植株存在这样的长距离信号物质，本研究对水稻幼苗进行了不同程度的去除地上部，同时进行缺铁处理，检测根系铁吸收标志基因的表达，虽然地上部的去除程度与基因表达并无明确的定量关系，但是地上部去除会影响根系基因表达水平的强度，体现了长距离调节的证据。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 水稻根系吸铁方式

1．1 还原途径

1．2 螫合途径

2 水稻缺铁感应信号

2．1 激素

2．2 N0

3 水稻铁长距离运输

3．1 木质部转运

3．2 韧皮部转运

4 水稻铁在亚细胞器中的转运

4．1 叶绿体中的铁

4．2 线粒体中的铁

4．3 液泡中的铁

5 植物体内铁的生理功能

5．1 参与叶绿素合成

5．2 参与光合作用

5．3 参与呼吸作用

6 展望

7 研究目的与意义及技术路线

7．1 研究目的与意义

7．2 技术路线

参考文献

第二章 不同形态铁对两种基因型水稻幼苗生长的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 两种基因型水稻籽粒铁含量比较

2．2 不同形态铁对两种基因型水稻叶绿素含量的影响

2．3 不同形态铁对两种基因型水稻地上部和地下部铁含量的影响

2．4 不同形态铁对两种基因型水稻叶片超微结构的影响

2．5 不同形态铁对两种基因型水稻根系超微结构的影响

3 小结与讨论

3．1 水稻根系对铁的吸收方式

3．2 两种基因型水稻吸收利用不同形态铁的差异

参考文献

第三章 水稻叶片和根的蛋白质组对缺铁的响应

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测试项目与方法

2 结果与分析

2．1 缺铁对水稻叶片和根系差异蛋白的影响

2．2 差异蛋白点的功能分析

2．3 叶片中差异蛋白点参与生理代谢途径分析

2．4 水稻根中差异蛋白点参与生理代谢途径分析

3 小结与讨论

参考文献

第四章 缺铁对两种基因型水稻生长及铁元素吸收分配的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定内容与方法

1．3 数据统计分析

2 结果与分析

2．1 缺铁对水稻幼苗生长的影响

2．2 缺铁对水稻幼苗铁分配的影响

3 小结与讨论

3．1 不同基因型水稻植株铁分配不同

3．2 缺铁对水稻幼苗生长的影响

3．3 缺铁对水稻冠根比的影响

参考文献

第五章 缺铁对两种基因型水稻抗氧化系统和光合特性的影响

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 缺铁对水稻叶片和根系SOD和H2O2的影响

2．2 缺铁对水稻叶片和根系中POD和MDA含量的影响

2．3 缺铁对水稻叶片和根系中APX和GR含量的影响

2．4 缺铁对水稻叶片叶绿素含量的影响

2．5 缺铁对水稻叶片光合速率的影响

2．6 缺铁对水稻叶片超微结构的影响

2．7 缺铁对水稻根系超微结构的影响

3 小结与讨论

3．1 缺铁对水稻体内抗氧化酶促清除系统影响

3．2 缺铁对水稻体内抗氧化酶再生系统影响

3．3 缺铁对水稻光合系统的影响

3．4 缺铁对水稻根尖细胞结构

参考文献

第六章 缺铁对两种基因型水稻铁吸收和转运基因表达的影响及长距离信号调控证据

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测试项目与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 铁吸收基因对缺铁的响应

2．2 铁转运基因对缺铁的响应

2．3 根系铁吸收基因表达水平对不同地上部去除的响应

3 小结与讨论

参考文献

第七章 全文总结与讨论

1 讨论

1．1 富铁水稻比常规水稻对缺铁有更好的耐受性

1．2 缺铁与水稻冠根比及碳源分配的假说模式

1．3 水稻响应缺铁机理的假说模式

2 主要结论

3 本研究的主要创新之处

4 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表文章