不同基因型玉米根系对低磷胁迫响应机理初步研究

摘要

磷是植物在生长发育中所必须的大量元素之一。然而土壤有效磷浓度非常低，通常只有1μm左右，远不能满足植物生长所需的磷素。在玉米栽种区土壤有效磷不足是限制玉米产量和增加生产成本的重要因素之一，因此利用作物固有的生物学特性，挖掘作物自身对土壤磷素高效吸收利用的潜力是农业生产中利用低磷土壤有效策略之一。本文以两个不同基因型玉米品种为材料，应用RT-PCR对部分低磷胁迫诱导基因进行验证，并利用基因芯片、蛋白组学等方法研究玉米根系对低磷胁迫的基因和蛋白质表达应答，进而探索玉米根系对低磷胁迫响应机理，主要结果如下:
　　 1、低磷胁迫对玉米根系形态和生理生化特性的影响。
　　 经低磷处理的两个不同基因型玉米DSY-79和DSY-2幼苗根系具有明显的差异。由于磷素在土壤中的移动性差，因此发达的根系在植物有效从土壤中吸收磷素方面起着重要作用。与DSY-79相比，DSY-2根系的平均长度、表面积、投影面积、体积、侧根数量均有显著的增加，这一系列变化增加了根系与根际环境的接触面积，提高了DSY-2对磷素的吸收能力。酸性磷酸酶活性测定结果表明，在低磷胁迫下两个基因型玉米根尖酸性磷酸酶的活性均有所提高，但DSY-2的酸性磷酸酶活性明显大于DSY-79，酸性磷酸酶活性的增加有利于植株体内有机磷的重复利用。根系活力分析表明，在低磷胁迫下DSY-2根系活力显著提高，而根系活力的提高能够促进根系对磷素及其它养分的吸收。
　　 2、低磷胁迫对玉米根系基因表达的影响。
　　 基因芯片的分析结果表明，DSY-2根系在低磷胁迫下诱导的基因类型、数量和上调倍数都远远大于DSY-79。低磷胁迫下DSY-2根系中多种功能基因表达水平上调。受诱导的功能基因主要有:磷素吸收、动员与能量代谢、物质代谢、细胞生长与细胞壁结构、转录因子与转录调控、物质运输与基团转运、胁迫响应与防御、细胞信号受体与信号转导相关基因。这些基因的表达量的变化在增强植株吸收磷素、提高磷利用效率方面起着重要作用，这很可能是DSY-2表现为耐低磷性状的主要分子机制。
　　 3、低磷胁迫诱导基因的RT-PCR验证。
　　 RT-PCR结果表明低磷胁迫下DSY-2根系中酸性磷酸酶基因、有机酸分泌相关基因、质子分泌相关基因、转运子基因、通道蛋白相关基因、选择性糖酵解途径相关基因和选择性线粒体呼吸途径相关基因均有明显的诱导表达。而DSY-79中仅有与有机酸分泌相关基因中的柠檬酸合成酶基因、转运子基因中的三类基因和通道蛋白基因中的一种基因有诱导表达。
　　 4、低磷胁迫对玉米根系蛋白质表达的影响。
　　 蛋白组学的研究结果表明，低磷胁迫对DSY-2根系蛋白组有明显的影响，通过质谱鉴定出低磷胁迫能诱导ACC氧化酶、真核翻译起始因子5A、钙调蛋白、腺苷高半胱氨酸酶、驱动蛋白家族、戊烯基转移酶的表达。DSY-79和DSY-2根系正常供磷水平下也有明显的差异，通过质谱鉴定出的DSY-2差异表达蛋白主要有真核翻译起始因子5A、谷胱甘肽转移酶Ⅲ、核苷二磷酸激酶、肽基脯氨酸顺反异构酶、过氧化物酶、GTP酶结合蛋白、超氧化物歧化酶。这些蛋白差异表达可能导致DSY-79和DSY-2根系形态发育和磷吸收能力的差异，表明不同磷营养基因型玉米具有不同的磷效率调控机制，进而导致两者耐低磷特性的差异。

目录

摘要

主要缩写词表

1 前言

1．1 土壤磷资源现状和植物磷素营养研究进展

1．1．1 土壤中磷资源状况

1．1．2 磷素在植物体中的作用

1．1．3 植物磷营养效率的基因型差异

1．2 植物对低磷胁迫的响应机制

1．2．1 植物对低磷胁迫的响应机制

1．2．2 低磷胁迫诱导基因表达的研究进展

1．2．3 植物蛋白组学研究进展

1．3 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 植株材料

2．1．2 培养液

2．2 实验测定项目与方法

2．2．1 玉米植株的培养与处理

2．2．2 低磷胁迫对玉米根系生长发育影响的分析

2．2．3 低磷胁迫对玉米根系基因表达影响的分析

2．2．4 低磷胁迫诱导基因的RT-PCR验证

2．2．5 低磷胁迫下玉米根系蛋白组的分析

2．3 数据统计分析

3 结果与分析

3．1 玉米DSY-79和DSY-2根系形态和生理生化特性分析

3．1．1 低磷胁迫下DSY-79和DSY-2根系形态分析

3．1．2 低磷胁迫下DSY-79和DSY-2根系活力变化

3．1．3 低磷胁迫下DSY-79和DSY-2根系APase活性变化

3．2 低磷胁迫对玉米根系基因表达的影响

3．2．1 玉米根系受低磷胁迫表达上调基因类型和功能分析

3．3 低磷胁迫诱导基因RT-PCR验证

3．3．1 磷素吸收相关基因

3．3．2 磷素转运相关基因

3．3．3 磷素代谢相关基因

3．4 低磷胁迫对玉米DSY-79和DSY-2根系蛋白组的影响

3．4．1 低磷胁迫下DSY-79和DSY-2根系应答的蛋白组学分析

3．4．2 玉米根系蛋白质谱鉴定和数据库搜索

3．4．3 玉米根系差异蛋白的功能分析

4 讨论

4．1 低磷胁迫下玉米根系生理生化参数和根系形态变化

4．2 玉米低磷胁迫的响应的分子机制分析

5 主要结论

参考文献

附表

致谢

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