外源油菜素内酯缓解硝酸钙胁迫下黄瓜幼苗伤害的生理机制

摘要

由于设施栽培的过量施肥等原因，设施土壤盐渍化的现象日趋突出，已成为限制设施蔬菜产业健康发展的主要障碍。次生盐渍化土壤中Ca2+含量约占阳离子总量的60％以上，而阴离子以NO3-为主，因此，Ca(NO3)2积累是设施土壤盐渍化的主要原因。黄瓜（CucumissativusL.）是我国设施栽培面积最广的蔬菜作物之一，其根系对盐渍土壤非常敏感。油菜素内酯（BRs）是一种天然植物甾醇类物质，作为一种新型的植物生长调节物质对植物细胞生理和发育进程有着重要作用，能增强植株抗逆性，增加作物产量。目前，关于外源施用BRs缓解盐胁迫对植株伤害的研究已有报道，但主要集中在NaCl胁迫方面，对于BRs缓解土壤盐渍化中过量Ca(NO3)2对植株伤害的生理缓解机制报道很少。
　　本研究以盐敏感的黄瓜品种‘津优4号’为试材，采用营养液栽培，通过叶面喷施24-表油菜素内酯(EBL)，研究外源EBL对盐胁迫下(80mMCa(NO3)2)黄瓜幼苗的影响，从光合性能、叶绿体超微结构、抗氧化能力、氮代谢、离子平衡和内源激素稳态等方面，探讨外源EBL调控Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗生理功能适应性变化，缓解生理伤害的作用机制。主要结果如下:
　　1.叶面喷施0.01～0.1μMEBL均能缓解Ca(NO3)2胁迫对黄瓜植株光合作用和植株生长的抑制，其中以0.1μMEBL的缓解效果最为理想。0.1μMEBL显著增加了黄瓜叶片光合效率，部分恢复了根系的发育形态，促进了Ca(NO3)2胁迫条件下黄瓜幼苗的生长，缓解胁迫伤害。而高浓度EBL(0.2μM)对逆境植株生长没有缓解效果。
　　2.Ca(NO3)2胁迫下，叶面喷施0.1μMEBL增加了叶片叶绿素含量，提高了胁迫植株的净光合速率。EBL处理增加了叶片保护性热耗散(qN)，提高了叶片PSⅡ的电子传递速率(ΦPSⅡ)和光能利用率(qP)，在一定程度上缓解了叶片最大光化学效率(Fv/Fm)的下降，部分提高了反应中心的光化学活性。表明外源EBL通过增强激发能的热耗散而保护PSⅡ免受过量能的损伤，部分减轻不可逆光抑制，进而缓解胁迫对黄瓜幼苗光化学效率的抑制。
　　3.Ca(NO3)2胁迫下，叶面喷施0.1μMEBL可提高黄瓜叶片的抗氧化能力，增强胁迫条件下抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性，进而降低活性氧的积累。EBL处理缓解了活性氧对叶绿体被膜及类囊体膜结构的氧化降解伤害，降低丙二醛含量，并部分恢复叶绿体的典型结构，促进类囊体基粒的形成。说明胁迫条件下，外源EBL可通过保护光合膜系统缓解类囊体的结构损伤。
　　4.Ca(NO3)2胁迫下，外源EBL可提高氮代谢相关酶的活性，包括硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)，从而缓解Ca(NO3)2胁迫引起的NO3-和NH4+的积累，促进氮素还原和氨同化过程。而且，胁迫条件下，EBL处理可增加黄瓜幼苗地上部和根系总的氨基酸水平。其中，EBL处理降低了地上部和根系中乙烯合成前体-甲硫氨酸的含量而增加了脯氨酸和多胺合成前体-精氨酸的含量。表明外源EBL可通过调控植株氮素代谢过程影响氮衍生物的合成与平衡，从而缓解Ca(NO3)2胁迫对植株的代谢伤害。
　　5.Ca(NO3)2胁迫下，外源EBL可缓解过量Ca2+的积累，同时增加其他矿质元素的吸收（包括P、K、Mg、Fe和Mn）。外源EBL使Ca2+水平多积累在根系表皮位置，K多集中在中柱鞘位置。而且，EBL处理增加了地上部和根系中的Ca2+-ATPase的活性和ATP含量，有利于细胞将过量Ca2+排出体外。超微结构分析结果表明，胁迫条件下，EBL处理部分减少了叶肉细胞和叶绿体中沉淀颗粒的积累，而且，细胞间隙重新出现细小的黑色钙沉淀颗粒，并紧贴细胞壁分布。根系中的沉淀分布与叶片分布相似。表明EBL处理可在一定程度上降低Ca2+的积累，调控胁迫下Ca2+的分布，有利于保护光合器官和根系的正常生理功能，维系正常生命活动。
　　6.Ca(NO3)2胁迫下，叶面喷施EBL在一定程度上促进了侧根长度，恢复了根尖外部形态。而且，外源EBL处理降低了地上部ABA的含量，增加了生长素（IAA）、赤霉素(GA3)、BRs以及结合态和束缚态多胺(PAs)的水平;根系中ABA、IAA、GA3、BRs和多胺含量增加。根尖伸长区和分生区的植物激素含量也发生显著变化。外源EBL处理后，胁迫植株根系伸长区ABA、GA3以及结合态和束缚态PAs含量增加，BRs含量降低，IAA和游离态PAs含量不变;分生区ABA、IAA、GA3、BRs和结合态和束缚态多胺含量升高，游离态PAs水平下降。表明胁迫下外源EBL可能通过调控内源激素的含量而达到激素平衡，发挥激素正常信号转导和生理功能，缓解胁迫对黄瓜幼苗侧根伸长的抑制作用，部分恢复根尖形态结构。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 文献综述

第一节 土壤次生盐渍化的成因、危害及防治措施

1．1 土壤次生盐渍化成因

1．2 设施土壤盐渍化的危害

1．3 设施土壤盐渍化的防治措施

第二节 BRs的生理功能及与环境胁迫的关系

2．1 BRs的研究现状

2．2 BRs的信号转导途径及稳态调控

2．3 BRs与逆境胁迫的关系

2．4 BRs与逆境响应其他激素之间的互作与串扰

2．5 BRs生物技术调控作用以增强逆境耐性

第二章 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗伤害的浓度筛选

1 材料与处理

1．1 供试品种与幼苗培养

1．2 试验处理

2 测定方法

2．1 生长指标的测定

2．2 根系形态分析

2．3 气体交换参数测定

3 结果与分析

3．1 Ca(NO3)2浓度对植株生长的影响

3．2 Ca(NO3)2浓度对植株叶片面积和根系形态的影响

3．3 Ca(NO3)2浓度对植株气体交换的影响

3．4 EBL浓度对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜生长的作用

3．5 不同浓度EBL对Ca(NO3)2胁迫下根系形态的作用

3．6 不同浓度EBL对Ca(NO3)2胁迫下幼苗光合作用的影响

4 讨论

第三章 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗光合性能及抗氧化系统的影响

第一节 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗光合作用和叶绿素荧光参数的影响

1 材料与处理

2 测定方法

3 结果分析

4 讨论

第二节 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗氧化伤害及叶绿体超微结构的影响

1 材料与处理

2 测定方法

3 结果分析

4 讨论

第四章 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗氮代谢的影响

1 材料方法

1．1 植株处理

1．2 试验设计

2 测定方法

2．1 NO3-和NH4+含量

2．2 硝酸还原酶(NR)活性的测定

2．3 谷氨酰胺合成酶(GS)，谷氨酸合酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)的活性

2．4 游离氨基酸含量的测定

2．5 光合氮素利用率(PNUE)

2．6 多胺分析

2．7 数据分析

3 结果分析

3．1 NO3-和NH4+含量

3．2 NR的活性

3．3 GS、GOGAT和GDH活性

3．4 光合氮素利用率(PNUE)

3．5 氨基酸水平

3．6 多胺水平

4 讨论

第五章 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗离子含量的影响

1 材料与处理

1．1 供试品种与幼苗培养

1．2 试验处理

2 测定方法

2．1 离子含量的测定

2．2 X-ray微区分析

2．3 Ca2+-ATPase活性的测定

2．3 Ca2+亚细胞定位

2．4 ATP测定方法

3 结果与分析

3．1 离子含量

3．2 [Ca2+]／[K+]比值

3．3 根部横切面X-ray微区点扫描分析

3．4 根部横切面X-ray微区面扫描分析

3．5 Ca2+-ATPase活性

3．6 ATP含量

3．7 叶片中Ca2+亚细胞定位

3．8 根系中Ca2+亚细胞定位

4 讨论

第六章 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜体内植物激素含量的影响

1 材料方法

1．1 植株处理

1．2 试验设计

2 测定方法

2．1 侧根长度的测定

2．2 根尖形态结构的观察

2．3 伸长区和分生区的取样

2．4 激素含量的分析

3 结果与分析

3．1 侧根的长度

3．2 根尖形态

3．3 地上部和根系中各种激素含量的变化

3．4 根尖伸长区和分生区部位各种激素含量的变化

3．5 黄瓜根系伸长区和分生区各种激素含量变化趋势

4 讨论

4．1 ABA

4．2 IAA

4．3 GA3

4．4 BRs

4．5 PAs

全文讨论

1 外源EBL提高Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗的光合性能

2 外源EBL调控Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗氮代谢

3 外源EBL促进Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗矿质元素的平衡

4 外源EBL对Ca(NO3)2胁迫下黄瓜幼苗内源激素的调控能力

全文结论

创新之处

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢