低磷胁迫下玉米叶片的光合特性及叶蛋白质组学研究

摘要

磷是植物生长发育不可缺少的大量营养元素之一，几乎参与了植物所有的生命活动过程。玉米是重要的粮食兼饲料作物，在世界农业生产中占有举足轻重的地位。在玉米主栽区，土壤有效磷不足是限制玉米产量和增加其生产成本的重要因素之一。充分了解玉米对磷素的吸收、利用和耐受机制，挖掘作物自身对磷素高效吸收利用的潜力，培育磷高效基因型品种具有重要的理论意义和应用价值。 本工作以研究室利用细胞工程技术获得的磷营养突变体99038、99095及其来源亲本齐319为材料，通过水培实验研究了玉米根系形态和生理生化机制对低磷胁迫的应答反应，比较了不同自交系的磷营养特性差异；对不同供磷水平下叶片的光合作用相关指标进行了测定，以期了解三个自交系的光合特性差异；对足磷和低磷条件下的齐319叶片进行了比较蛋白质组学研究，为揭示玉米叶片光合作用系统对低磷胁迫的反应机制奠定基础。 自交系99038、齐319和99095的磷营养特性存在显著差异。低磷处理25天时，自交系99038植株的生物量和磷含量显著高于齐319和99095，对低磷胁迫的敏感性最低。在根系形态上，自交系99038的根冠比、总根长、侧根数目和长度显著高于齐319和99095，根的平均直径最小。三个自交系中以99095的根系发育最弱。低磷胁迫导致玉米根系分泌有机酸和质子的量显著增加，有利于对难溶性磷的活化和吸收。与齐319和99095相比，自交系99038的根际酸化能力最强。低磷条件下，玉米根系胞内和外泌酸性磷酸酶的活性大大增加。自交系99095胞内和外泌酸性磷酸酶的活性显著低于99038和齐319，表明其对有机磷的活化和再利用能力最弱。在与磷吸收效率有关的生理指标上，自交系99038具有更大的根系总吸收面积、活跃吸收面积以及在磷吸收动力学参数上表现出较大的Imax和较低的Km、Cmin；自交系99095的根系活力和对磷素的亲和力显著低于99038和齐319。这些结果表明，根系形态和生理状态以及磷吸收能力的差异可能是99038、齐319和99095之间低磷耐受性产生差异的主要原因。 低磷胁迫下自交系99038、齐319和99095具有不同的光合作用特征。磷胁迫使玉米叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著下降，胞间CO2浓度升高，光合速率的降低可能由非气孔因素引起。与99095和齐319相比，自交系99038在低磷条件下能维持较高的光合速率。低磷胁迫下，自交系99038叶片PSⅡ的光能转换和利用效率显著高于齐319和99095，受磷胁迫的影响最小。玉米叶片中的叶绿素、类胡萝卜素含量及Chla/Chlb比值在低磷条件下显著降低，以自交系99095的降幅最大。磷胁迫改变了光合碳在蔗糖和淀粉之间的分配。低磷处理至25天时，自交系99038叶片中的蔗糖/淀粉比值显著高于齐319和99095。在相同供磷水平下，自交系99038叶片中的无机磷浓度显著高于齐319和99095；99095叶片中的无机磷浓度最低。苗期叶片中无机磷浓度的差异可能是导致不同磷效率玉米自交系之间光合特性差异的主要原因。 低磷胁迫下齐319叶片蛋白质的表达发生了改变。采用：PEG分级沉淀的方法提取叶片总蛋白。双向电泳共检测到大约1296个蛋白点，其中200个蛋白在两种供磷水平下存在显著的差异表达，占检测出的蛋白总数的15．43％。通过MALDI-TOF MS鉴定了144个差异表达蛋白，并根据拟南芥MATDB数据库对鉴定蛋白进行了功能分类。144个鉴定的蛋白点包括了17个未知或未分类蛋白、12个蛋白命运相关蛋白、9个蛋白合成相关蛋白、12个细胞营救/防御/毒性蛋白、7个次生代谢相关蛋白、17个能量代谢相关蛋白、47个代谢相关蛋白、15个转录/细胞交流/信号转导相关蛋白和8个细胞周期/运输蛋白。与光合作用相关的蛋白有Rubisco大亚基、RCA、叶绿体ATP合酶亚基、NADP-苹果酸脱氢酶、光捕获色素蛋白复合体、蔗糖磷酸酶、UDP-硫代异鼠李糖合成酶等，它们的变化表达意味着低磷胁迫下玉米叶片的光合作用系统受到影响。其它一些蛋白如S-腺苷甲硫氨酸合成酶、14-3-3蛋白、RNA结合蛋白、G蛋白β亚基、蛋白激酶和PP2A等，参与了次生代谢、信号转导和转录调控等过程。它们在低磷条件下的诱导表达暗示着它们可能在连接外部磷浓度改变和植物体内代谢适应性变化方面扮演着重要的角色，以调节相关基因的表达，维持胞质相对磷稳态和植物的生长发育。这些结果从蛋白质组水平上揭示了玉米叶片对磷饥饿的响应是涉及多个代谢途径的复杂过程，为深入了解玉米的耐低磷机制提供了重要的参考资料。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一部分前言

1.1植物磷营养研究进展

1.1.1磷素在植物体内的重要作用

1.1.2土壤中的磷资源现状

1.1.3植物磷营养效率的基因型差异

1.1.4植物对磷饥饿的响应机制

1.2磷营养与植物的光合作用

1.2.1低磷对同化力形成的影响

1.2.2低磷对光合电子传递及光能转化效率的影响

1.2.3低磷对Calvin循环中酶的活性及RuBP再生的影响

1.2.4低磷对同化物分配的影响

1.3植物蛋白质组学研究

1.3.1植物营养蛋白质组学研究进展

1.3.2玉米蛋白质组学研究

1.4本研究的目的及意义

第二部分不同玉米自交系的磷营养特性及光合特性分析

2.1材料与方法

2.1.1实验材料

2.1.2实验方法

2.1.3实验数据的统计学分析

2.2结果与分析

2.2.1玉米自交系99038、99095和齐3 19的磷营养特性分析

2.2.2玉米自交系99038、99095和齐319的光合特性分析

2.3讨论

2.3.1玉米自交系99038、齐319和99095的磷营养特性

2.3.2玉米自交系99038、齐3 19和99095的光合特性差异

第三部分低磷胁迫下齐319叶片的蛋白质组学研究

3.1材料与方法

3.1.1实验材料

3.1.2实验方法

3.2结果与分析

3.2.1齐319叶片蛋白的双向电泳分析

3.2.2叶片差异蛋白的质谱鉴定分析

3.2.3质谱鉴定蛋白的功能分类

3.3讨论

3.3.1 PEG分级沉淀方法的有效性

3.3.2比较蛋白质组学分析揭示玉米叶片对磷胁迫的应答是涉及多个代谢途径的复杂过程

第四部分总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文