部分根区灌溉提高棉花水分利用效率的生理及分子机制

摘要

水资源的日益匮乏已成为我国农业持续发展的严重威胁，尤其在西北内陆旱区，提高水分利用效率已成为该区农业，特别是棉花产业持续发展的关键。已知部分根区灌溉可以在产量基本不减的前提下，通过提高棉花等作物的水分利用效率节约用水，但迄今对部分根区灌溉节水的机制尚不十分清楚。为此，我们在温室内利用嫁接分根系统和PEG6000模拟部分根区灌溉，研究了常规灌溉、部分根区灌溉和亏缺灌溉条件下棉花叶片的水势、含水量以及光合参数的变化，根系吸水量、水力导度的变化以及GhPIP基因的表达情况，根系水势、含水量的变化以及根系脯氨酸含量和相关渗透胁迫应答基因(P5CS和LEA蛋白基因)的表达，MeJA、ABA、H2O2相关合成和分解代谢基因的表达、含量变化以及在调节灌水侧根系水力导度过程中的作用和互作关系，并通过灌水侧下胚轴韧皮部环割和VIGS诱导叶片中MeJA合成基因沉默，研究了MeJA作为叶片一根系长距离信号提高灌水侧根系水力导度的作用。同时，在内蒙西部大田研究了种植密度（13.5万、18万、22.5万株·hm-2）和灌溉方式（正常灌溉、部分根区交替灌溉、亏缺灌溉）对棉花生长发育、产量和灌溉水利用效率的影响。主要结果如下:
　　1.部分根区灌溉灌水侧根系吸水量升高，维持了叶片的水分平衡。部分根区灌溉灌水侧根系GhPIP基因表达量上调，其中GhPIP2;2和GhPIP2;8表达量占GhPIP2总表达量的84.8％，在提高灌水侧根系水力导度中发挥了主导作用。灌水侧根系吸水量显著升高，占整株吸水量的82.6％，部分根区灌溉整株吸水量与常规灌溉相当;同时部分根区灌溉显著降低了叶片气孔导度，减少了水分耗散，二者共同维持了叶片水分平衡，部分根区灌溉叶片的含水量和水势与常规灌溉相比没有明显差异，保障了部分根区灌溉叶片的正常光合作用。
　　2.MeJA、ABA和H2O2在调节灌水侧根系水力导度中发挥了重要作用。与常规灌溉根系相比，部分根区灌溉灌水侧根系中脯氨酸含量、渗透胁迫应答基因P5CS和LEA蛋白基因表达量以及MDA含量均没有显著变化，说明该侧根系没有受到渗透胁迫，排除了水力信号诱导该侧根系水力导度上升的可能。部分根区灌溉显著提高了灌水侧根系中MeJA、ABA和H2O2含量。外源MeJA、ABA和H2O2处理灌水侧根系均可提高根系水力导度，加入相应抑制剂SA、fluridone、DPI均可降低根系水力导度;外源MeJA和H2O2均可提高根系中GhPIP基因表达量，其抑制剂SA和DPI可降低根系中GhPIP基因表达量;加入外源ABA和其抑制剂fluridone对GhPIP基因表达量没有影响。说明MeJA和H2O2可通过上调根系中GhPIP基因表达量增加根系水力导度，而ABA可能是通过降低PIP蛋白活化能，增加PIP蛋白活性来增加根系水力导度。在部分根区灌溉灌水侧根系同时加入MeJA抑制剂SA和外源H2O2，H2O2可以恢复SA对GhPIP1;5、GhPIP2;2和GhPIP2;8表达量下调的影响;而加入H2O2的抑制剂DPI和MeJA，MeJA未能恢复DPI对GhPIP1;5、GhPIP2;2和GhPIP2;8表达量下调的影响。说明在MeJA调控根系中GhPIP基因表达中，H2O2可能是一个关键的信号因子。
　　外源MeJA可增加根系ABA和H2O2合成酶基因的表达量以及ABA和H2O2的含量，其抑制剂可降低ABA和H2O2合成酶基因的表达量及ABA和H2O2的含量，说明MeJA可以通过调控ABA和H2O2合成酶基因的表达改变它们的含量。外源ABA和其抑制剂fluridone对MeJA和H2O2合成酶基因的表达量以及MeJA和H2O2含量均没有显著影响，说明ABA对MeJA和H2O2没有调控作用。外源H2O2显著提高了ABA合成酶基因GhNCED2和GhNCED3的表达量并降低了GhCYP707A1和GhCYP707A2的表达量，显著增加了根系中ABA的含量，抑制剂DPI显著降低了ABA合成酶基因GhNCED2、GhNCED3和GhNCED9的表达量并提高了GhCYP707A1和GhCYP707A2的表达量，显著减少了根系中ABA含量;外源H2O2和其抑制剂DPI对MeJA合成基因GhOPR11、GhA OS6和GhLOX3的表达量和MeJA的含量没有显著影响，说明H2O2可通过调控ABA合成酶和分解酶基因的表达调控ABA含量，但H2O2对MeJA没有调控作用。因此，部分根区灌溉灌水侧根系MeJA可以调控ABA和H2O2的含量，H2O2还可以调控ABA的含量。
　　3.MeJA作为叶片一根系长距离信号提高了灌水侧根系水力导度。与正常灌溉根系相比，部分根区灌溉灌水侧根系中MeJA含量升高，但该侧根系中MeJA合成相关基因GhOPR11、GhA OS6和GhLOX3表达量并没有显著升高，暗示该侧根系中MeJA含量的升高来源于其它器官。为了探明该侧根系MeJA来源，在干旱侧加入外源MeJA和其抑制剂SA，结果二者均对灌水侧根系中MeJA含量没有影响，说明干旱侧根系中MeJA的含量升高与灌水侧根系MeJA的含量升高没有直接关系。部分根区灌溉棉花叶片中MeJA合成相关基因GhOPR11、GhAOS6和GhLOX3表达量和MeJA含量均显著升高。叶面喷施外源MeJA后叶片中的MeJA含量显著升高，灌水侧根系中的MeJA含量也显著升高，叶片喷施MeJA合成抑制剂SA，叶片中MeJA含量显著降低，灌水侧根系中的MeJA含量也显著降低;灌水侧下胚轴韧皮部环割导致叶片中MeJA含量显著升高，灌水侧根系中MeJA含量显著降低;利用VIGS技术沉默叶片中MeJA合成基因GhOPR11、GhAOS6和GhLOX3，沉默植株叶片中相应基因的表达量均显著下调，叶片中MeJA含量也显著下降，灌水侧根系中MeJA含量随之降低。这些结果均表明，部分根区灌溉下，叶片中MeJA合成基因GhOPR11、GhAOS6和GhLOX3表达量上调，MeJA含量升高并经韧皮部运输到灌水侧根系，提高了该侧根系水力导度，促进了水分吸收。
　　4.大田试验结果显示，部分根区交替灌溉高密度下（22.5万株·hm-2）产量最高，且显著提高了灌溉水利用效率。种植密度和灌溉方式对棉花生物产量和经济系数存在显著的互作效应，提高密度能显著提高生物产量，但收获指数显著降低，部分根区交替灌溉虽然显著降低了生物产量但通过促进同化物向生殖器官分配，提高了收获指数。单位面积铃数仅受密度影响，随密度升高而增加。密度和灌溉方式对单铃重有显著互作效应，常规灌溉条件下，随密度升高，铃重呈降低趋势;部分根区交替灌溉条件下，高密度与中密度相比铃重没有显著差异，这是部分根区交替灌溉提高密度不减产的重要因素。在内蒙古西部旱区棉田，与正常灌溉相比减少灌水量30％，实施根系交替分区灌溉，适当提高种植密度(22.5万株·hm-2左右)，产量与正常灌溉相当，霜前花率提高22.5％，灌溉水利用效率可以提高50％左右。部分根区灌溉是当地节水植棉的重要途径。
　　综上，部分根区灌溉干旱侧根系诱导叶片中MeJA合成基因GhOPR11、GhAOS6和GhLOX3表达量升高，提高了叶片MeJA含量，叶片中的MeJA经韧皮部运输到灌水侧根系，提高了该侧根系MeJA含量，MeJA通过上调灌水侧根系中H2O2合成酶基因GhRBOHC的表达量增加了该侧根系中H2O2的含量，H2O2通过上调ABA合成酶基因GhNCED2、GhNCED3和GhNCED9的表达量并抑制分解酶基因GhCYP707A1和GhCYP707A2的表达量增加了根系中ABA的含量，H2O2还可上调根系中GhPIP基因的表达量，ABA则可能是通过改变PIP构象降低其活化能来增加PIP蛋白活性进而提高该侧根系的水力导度。总之，部分根区灌溉下MeJA和H2O2对灌水侧根系水力导度的提高发挥了重要作用。

目录

声明

符号说明及缩写词

摘要

第一章 文献综述

1．部分根区灌溉研究进展

1．1 部分根区灌溉研究历史

1．2 部分根区灌溉在农业生产中的应用

1．3 部分根区灌溉条件下的水分吸收利用

2．影响植物根系水力导度相关信号的研究进展

2．1 水力信号及干旱相关应答基因

2．2 影响根系水力导度的化学信号

3 本研究的目的和意义

第二章 部分根区灌溉提高灌水侧根系吸水量的生理机制

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 测定项目和方法

1．3 数据处理和统计分析

2 结果

2．1 部分根区灌溉对光合参数的影响

2．2 部分根区灌溉对水分吸收和根系水力导度的影响

2．3 部分根区灌溉对根系中GhPIP基因表达量的影响

2．4 部分根区灌溉对根系水势及相关性状的影响

3 讨论

3．1 部分根区灌溉对光合参数的影响

3．2 部分根区灌溉对根系水分吸收量的影响

3．3 部分根区灌溉对根系GhPIP基因表达量的影响

3．4 部分根区灌溉对根系水势和渗透调节物的影响

4．小结

第三章 MeJA、ABA和H202提高灌水侧根系水力导度的机制

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 试验方法

2 试验结果

2．1 部分根区灌溉对根系中激素含量及相关基因表达量的影响

2．2 部分根区灌溉对根系中H2O2含量及其合成酶基因的影响

2．3 外源MeJA、ABA、H2O2及其抑制剂对GhPIP基因和根系水力导度的影响

2．4 MeJA、ABA、H2O2互作的关系

2．5 部分根区灌溉对叶片MeJA含量及其合成基因表达量的影响

2．6 部分根区灌溉干旱区域根中MeJA对灌水侧根系的影响

2．7 部分根区灌溉叶片中MeJA对根系GhPIP基因和根系水力导度的的影响

3 讨论

3．1 影响灌水侧根系水力导度的信号因子

3．2 灌水侧根系MeJA、ABA、H2O2的互作关系

3．3 灌水侧根系MeJA含量升高的原因

4．小结

第四章 密度和灌水方式对旱区棉花生长、产量及灌溉水利用率的影响

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 试验处理和设计

1．3 调查、测定项目和方法

1．4 数据处理和统计分析

2 结果与分析

2．1 不同灌水量对棉花产量和灌溉水利用率的影响

2．2 种植密度和灌水方式对棉花花期的生长发育的影响

2．3 密度和灌水方式对棉花干物质分配和水分利用效率的影响

2．4 种植密度和灌水方式对棉花产量和产量构成的影响

3．讨论

3．1 种植密度和灌水方式对棉花生长发育的影响

3．2 种植密度和灌水方式对棉花产量和灌溉水利用效率的的影响

4 结论

第五章 总结论

1 部分根区灌溉增加了灌水侧根系的吸水量进而维持了叶片的水分平衡

2 MeJA、ABA和H2O2单独或协同参与了灌水侧根系水力导度的调控

3 叶源MeJA是调节灌水侧根系水力导度的叶片—根系长距离信号

4 部分根区灌溉并适当提高密度是旱区棉花节水增效的新途径

5 本研究的创新与展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表论文