硅缓解番茄(Solanum Lycopersicum L.)干旱胁迫的机理

摘要

近年来，人们发现硅与植物抗逆性之间存在着非常密切的关系，但相关研究多集中在水稻、小麦、高粱等硅吸收量高的单子叶植物上。番茄（Solanum lycopersicum L.）属双子叶植物，是全世界栽培面积最大的蔬菜作物之一，关于其对硅的吸收及生理作用存在不同观点。为进一步明确番茄对硅的吸收利用特性及硅对番茄的生理效应，本文在分析外源硅水平与番茄生长发育及硅素吸收利用关系基础上，研究了硅对干旱胁迫下番茄相关生理代谢的影响，以及对组织细胞结构的保护作用，并进一步探讨了硅对干旱胁迫下番茄蛋白调控网络的影响，旨在阐明硅缓解番茄干旱胁迫的机理，为番茄合理施用硅肥提供理论依据。主要结果如下:
　　1.Hoagland营养液水培条件下，番茄幼苗各器官硅含量均随营养液硅水平升高而显著增加，且以叶片差异最为显著，硅(SiO2)水平0.6、1.2、1.8mmol· L-1处理的番茄叶片硅(SiO2)含量分别比CK高250.90％、403.59％、552.69％;但番茄生长量、叶片叶绿素含量则以1.2、0.6mmol·L-1处理较高，而1.8mmol·L-1处理则与CK无显著差异，番茄叶片净光合速率(Pn)也有相似的趋势，11:00 Pn达峰值时，分别比CK高23.12％和15.36％，而1.8mmol·L-1处理甚至比CK还降低了5.74％。番茄叶片蒸腾速率(Tr)随硅水平的提高而降低，13.00硅水平0.6、1.2、1.8mmol· L-1处理的Tr分别比CK低7.42％、11.47％和23.08％，但其叶片瞬时水分利用效率(WUEi)则显著高于CK，11:00 WUEi达峰值时，分别比CK高22.22％、35.47％和17.52％。
　　2.Hoagland营养液水培番茄植株随外源硅水平的提高，其生长量及硅吸收量显著增加，果实成熟期提早2-3d，坐果数及单株产量增加，但单果鲜质量下降;硅水平过高(1.8mmol·L-1)促长效果降低，产量以1.2mmol· L-1较高，较对照增产15.57％，并显著改善果实品质。增加营养液硅含量，显著提高了番茄植株硅含量、吸收速率和吸收积累量，全生育期植株硅含量均以叶片较高，根次之，果实及茎较低，且随生长进行，各器官硅含量渐增，硅吸收速率显著增强，至结果盛期达最高，但随营养液硅含量的增加，番茄植株吸收的硅素在叶片中的相对分配率逐渐降低，在果实中相对分配率逐渐升高，而根及茎中分配率变化较小。
　　3番茄幼苗旱害指数随Hoagland营养液PEG-6000浓度增加及胁迫时间延长而显著增加，综合分析确定以1％ PEG-6000模拟干旱胁迫用于试验研究较为适宜。模拟干旱胁迫下不同硅水平处理的番茄叶片相对含水量(RWC)、光合色素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数(qP)等均随胁迫时间延长而持续下降，非光化学淬灭系数(NPQ)刚好相反，气孔限制值(Ls)先升高后降低，细胞间隙二氧化碳浓度(Ci)则先降低后升高，但不同硅水平处理番茄叶片相关参数降低或升高的幅度存在显著差异。如干旱胁迫12d时，0.6、1.2mmol·L-1硅水平处理的番茄叶片RWC较不施硅对照(CK)分别提高18.03％、30.25％，叶绿素含量分别增加64.56％、88.24％，Pn分别增加48.78％、131.71％，ΦPSⅡ分别增加31.68％、62.70％，qP分别增加18.92％、40.54％，NPQ则分别降低9.54％、13.35％。但1.8mmol·L-1的硅水平处理12d时相关参数除NPQ外，均较对照(CK)显著降低。表明1％ PEG-6000模拟干旱胁迫条件下，Hoagland营养液添加1.2mmol·L-1硅有利于维持番茄叶片较高的水分及光合色素含量，提高叶片色素光化学效率，增强光合暗反应能力，维持较高的光合速率。
　　4.番茄幼苗在含1％ PEG-6000的Hoagland营养液模拟干旱处理12d时，根系皮层占直径的比例增加，叶片厚度、栅栏组织厚度及海绵组织紧密度下降，干旱胁迫下施硅处理缓解了这种不利改变，从而减弱叶片水分的散失，提高干旱胁迫下番茄的叶片的保水能力，改善番茄叶片的水分状况。干旱胁迫过程中，施硅显著提高了番茄根系及叶片的玉米素(ZR)含量、赤霉素(GA)含量，降低脱落酸(ABA)含量，并显著提高了ZR/ABA、IAA/ABA及GA/ABA比值。干旱胁迫下施硅还提高了番茄根系及叶片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量，降低了超氧阴离子(O2-·)产生速率、H2O2含量及MDA含量。表明外源硅可通过维持器官组织结构、增加渗透调节物质含量、减轻活性氧的氧化伤害，提高番茄的抗旱能力。
　　5.随模拟干旱（1％ PEG-6000的Hoagland营养液）胁迫时间的延长，番茄植株根系及叶片丙二醛(MDA)含量逐渐升高，根系线粒体及叶片叶绿体超氧阴离子(O2-·)生成速率和过氧化氢(H2O2)含量亦逐渐升高，而超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)及过氧化氢酶(CAT)活性在胁迫初期迅速增强，达峰值后又快速降低。干旱胁迫下施硅（1.2mmol· L-1）处理显著增强了根系线粒体SOD、POD和CAT的活性以及叶片叶绿体抗氧化酶活性，提高了还原型抗坏血酸及还原型谷胱甘肽等抗氧化物质含量，显著降低了活性氧积累，缓解了细胞生物膜损伤，维持了线粒体、叶绿体的结构完整。
　　6.同位素相对标记与绝对定量（iTRAQ）分析了番茄的叶片的蛋白质组，旨在更系统和深入地解析硅缓解番茄干旱胁迫的机制。将干旱胁迫处理的番茄叶片与干旱胁迫下加硅处理的番茄叶片对比，以差异倍数大于1.2为界，差异蛋白共468个，其中373个上调表达，95个下调表达。通过Pathway分析表明干旱胁迫处理的番茄叶片与干旱胁迫下加硅处理的番茄叶片的差异蛋白主要富集在物质和能量代谢、光合和光呼吸、信号转导、活性氧清除、防卫反应五个方面。通过Pathway分析表明，施硅缓解了干旱胁迫引起的光合和光呼吸受阻，物质氧化分解加剧，气孔关闭相关信号转导增强，活性氧清除能力降低，水分散失程度增强以及细胞凋亡进程增进。因此，施硅提高了番茄的抗旱能力。

目录

声明

符号说明

摘要

1 引言

1．1 干旱胁迫对植物的影响

1．1．1 干旱胁迫对植物水分状况和光合荧光特性的影响

1．1．2 干旱胁迫对活性氧代谢的影响

1．1．3 干旱对植物膜系统的影响

1．1．4 干旱胁迫对植物内部发育结构的影响

1．1．5 干旱胁迫对渗透调节物质的影响

1．2 植物的硅营养

1．2．1 硅的形态、吸收和分布

1．2．2 硅在植物中的生理效应

1．2．3 硅在植物抗旱中的应用

1．3 蛋白组学的应用

1．4 本研究的目的意义

2 材料与方法

2．1 正常供水条件下外源硅水平对番茄幼苗的影响

2．1．1 试验设计

2．1．2 测定项目与方法

2．2 番茄根系硅吸收特性研究

2．3 正常供水条件下外源硅水平对番茄生长发育及产量品质的影响

2．3．1 试验设计

2．3．2 测定项目与方法

2．4 干旱胁迫下外源硅水平对番茄叶片光合系统的影响

2．4．1 试验设计

2．4．2 测定项目与方法

2．5 干旱胁迫下硅对番茄相关生理代谢的影响

2．5．1 试验设计

2．5．2 测定项目与方法

2．6 干旱胁迫下施硅番茄叶片的蛋白组学研究

2．6．1 试验设计

2．6．2 测定项目与方法

2．7 数据处理

3 结果与分析

3．1 正常供水条件下番茄幼苗对外源硅水平的反应

3．1．1 不同硅水平对番茄幼苗生物量的影响

3．1．2 不同硅水平对番茄幼苗不同器官氮、磷、钾及硅含量的影响

3．1．3 不同硅水平对番茄幼苗叶片色素含量的影响

3．1．4 不同硅水平对番茄幼苗光合参数的影响

3．1．5 不同硅水平对番茄幼苗叶片蒸腾及水分利用效率的影响

3．1．6 不同硅水平对番茄幼苗叶绿素荧光参数的影响

3．1．7 番茄对硅的吸收特性

3．2 外源硅水平对番茄生长发育及硅吸收分配特性的影响

3．2．1 硅水平对番茄植株生长及硅吸收动态的影响

3．2．2 硅水平对番茄不同器官硅含量的影响

3．2．3 硅水平对不同生育期番茄硅吸收分配特性的影响

3．2．4 硅水平对番茄果实发育及产量品质的影响

3．3 干旱胁迫下不同硅水平对番茄光合系统的保护作用

3．3．1 番茄幼苗在不同水平PEG-6000胁迫下的旱害症状表现

3．3．2 干旱胁追下不同硅水平对番茄叶片电解质渗透率的影响

3．3．3 干旱胁迫下不同硅水平对番茄叶片色素含量的影响

3．3．4 干旱胁迫下不同硅水平对番茄叶片水分状况的影响

3．3．5 干旱胁迫下不同硅水平对番茄叶片光合参数的影响

3．4 硅缓解番茄干旱胁迫的生理机制

3．4．1 干旱胁迫下外源硅对番茄根系及叶片解剖结构的影响

3．4．2 干旱胁迫下外源硅对番茄根系及叶片超微结构的影响

3．4．3 干旱胁迫下外源硅对番茄根系及叶片渗透调节物质和可溶性蛋白的影响

3．4．4 干旱胁迫下外源硅对番茄根系及叶片内源激素的影响

3．4．5 干旱胁迫下外源硅对番茄根系活性氧代谢的影响

3．4．6 干旱胁迫下外源硅对番茄叶片活性氧代谢的影响

3．4．7 干旱胁迫下外源硅对番茄叶片光能利用特性的影响

3．5 干旱胁迫下硅对番茄叶片蛋白调控网络的影响

3．5．1 干旱胁迫下施硅处理番茄功能叶片的差异蛋白表达

3．5．2 干旱胁迫下施硅处理番茄功能叶片差异蛋白的GO功能注释分析

3．5．3 干旱胁迫下施硅处理番茄功能叶片主要差异蛋白功能注释和Pathway分析

4 讨论

4．1 硅促进番茄生长发育的生理机制

4．1．1 硅促进了番茄对主要矿质元素的吸收利用

4．1．2 硅改善了番茄叶片水气交换参数

4．1．3 硅促进了番茄植株的生长

4．1．4 硅调控了番茄果实的主要内含物含量

4．2 硅对干旱胁迫下番茄的生理调节机制

4．2．1 外源硅改善了干旱胁迫下番茄幼苗的水分代谢

4．2．2 外源硅影响了干旱胁迫下番茄幼苗内源激素的平衡

4．2．3 外源硅调控了干旱胁迫下番茄幼苗叶片光合荧光特性

4．2．4 外源硅促进了干旱胁迫下番茄幼苗的活性氧代谢

4．2．5 外源硅维持了干旱胁迫下番茄幼苗细胞和膜系统的稳定性

4．3 干旱胁迫下外源硅调控番茄幼苗叶片差异蛋白的表达

5 结论

6 主要创新点

参考文献

致谢

论文发表情况