小麦多胺和乙烯合成对水分亏缺的响应及其与籽粒灌浆特性的关系

摘要

小麦籽粒灌浆期是小麦籽粒形成的一个重要阶段。灌浆期间，小麦茎、叶等器官光合作用产生的糖类和转化的蛋白质通过同化作用贮存在小麦种子内。灌浆期干旱，不利于籽粒灌浆，导致减产。因此，研究小麦籽粒灌浆对水分亏缺的响应机制及调节途径，对提高小麦粒重有着重要的意义。研究表明，乙烯和多胺在作物的生长发育中发挥重要作用。然而，水分亏缺条件下，(1)小麦籽粒中多胺、1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)浓度变化及其与小麦籽粒灌浆特性和旗叶光合特性的关系，外源调节物质调节籽粒灌浆的生理生化机制等尚不明确。(2)小麦籽粒腹部韧皮部的发育和结构及筛管伴胞(SE-CCs)复合体质膜ATPase活性，籽粒中蔗糖运输蛋白基因TaSUT1的表达与籽粒光合物质储存的关系等仍需进一步研究。明确以上问题对于丰富水分亏缺条件下的小麦栽培理论具有重要意义，并为外源化学物质的应用提供理论依据与技术支持。
　　1.粒重对水分亏缺响应的品种和粒位效应及原因分析
　　粒重对水分亏缺的响应依品种类型及籽粒粒位而异。水分亏缺条件下，水浇地类型品种济麦22强势粒和弱势粒的粒重分别降低7.38％和23.5％，旱地类型品种山农16强势粒和弱势粒的粒重分别降低13.8％和2.2％。未分粒位，则济麦22粒重降低16.2％，而山农16粒重降低7.6％。利用Richards模型分析产生品种和粒位效应的原因，结果表明，水分亏缺条件下，济麦22强势粒和弱势粒的活跃灌浆期分别降低10％和6.1％，山农16强势粒和弱势粒的活跃灌浆期分别降低6.7％和6.7％;济麦22强势粒和弱势粒的平均灌浆速率分别降低15.8％和9.9％，山农16强势粒和弱势粒的平均灌浆速率分别降低0.5％和12.3％。总而言之，活跃灌浆持续期及平均灌浆速率的变化幅度可以解释水分亏缺条件造成粒重降低的品种效应，但是无法对水分亏缺造成粒重降低的粒位效应做出解释。喷施外源亚精胺(Spd)或胺基乙氧基乙烯甘氨酸(AVG)均显著提高籽粒在水分亏缺条件下的粒重，而喷施外源丙脒腙(MGBG)或乙烯利则造成相反的影响。水分亏缺条件下，综合分析了籽粒TaSUT1表达量和籽粒蔗糖含量随灌浆持续期的变化趋势，表明:灌浆前期，蔗糖运输能力较弱可能是限制灌浆的重要因素;灌浆中期，淀粉合成相关酶活性低是限制灌浆的重要因素;灌浆后期，淀粉合成相关酶活性低和蔗糖运输能力低共同成为限制籽粒灌浆的重要因素。
　　2.小麦籽粒多胺和乙烯合成对水分亏缺响应的品种和粒位效应及其与籽粒灌浆的关系
　　水分亏缺显著提高籽粒中ACC浓度，进而提高籽粒的乙烯释放速率。水分亏缺显著提高籽粒中腐胺(Put)的含量。Put和乙烯合成对水分亏缺的响应依品种类型和籽粒粒位而异，以花后21天为例，水分亏缺条件下，济麦22强势粒和弱势粒中ACC浓度分别上升90％和164％，山农16强势粒和弱势粒中ACC浓度分别上升65％和13.2％;济麦22强势粒和弱势粒中Put浓度分别上升1.04％和7.9％，山农16强势粒和弱势粒中Put浓度分别上升34.4％和10.3％;济麦22强势粒和弱势粒中Spd浓度下降幅度差异不显著，Spd浓度分别下降33.7％和43.5％，山农16强势粒和弱势粒中Spd浓度分别下降15.1％和8.9％。在基因表达水平上分析表明，水分亏缺显著提高籽粒ACC和Put合成相关酶基因(ACS、ADC1、ADC2、ODC、AGM)的表达量，而降低亚精氨合成相关酶基因(Spd1、Spd2、SAMDC)表达量。相关分析表明，籽粒灌浆速率与Spd、Spm浓度及Spd/ACC、Spm/ACC的值存在显著正相关关系，与Put浓度在一定范围内存在正相关关系，与乙烯释放速率及ACC浓度存在显著负相关关系。另有相关分析表明，ACC和Put浓度与SuSase和AGPase存在显著负相关关系，而Spd及Spd/ACC的值分别与SuSase和AGPase存在显著正相关关系。因此，可以得出多胺和乙烯释放是通过影响淀粉合成相关酶活性进而影响籽粒灌浆速率的结论。研究还表明，小麦籽粒淀粉粒的体积和表面积分布呈双峰曲线，而数量分布呈单峰曲线。水分亏缺导致淀粉积累量的降低，同时，导致B-型淀粉颗粒的体积和表面积百分数下降，而提高A-型淀粉颗粒体积和表面积百分数。喷施外源Spd或AVG均可显著提高水分亏缺条件下的B-型淀粉颗粒的体积和表面积百分数。相关分析表明，乙烯和Spd在B-型淀粉颗粒形成的过程中呈现相互拮抗的关系，因此，水分亏缺条件下，提高Spd的含量、降低ACC浓度及乙烯释放速率有利于B-型淀粉颗粒的形成。
　　3.小麦籽粒腹部韧皮部SE-CCs复合体超微结构特征、其质膜ATPase酶活性对水分亏缺的响应及其与籽粒灌浆的关系
　　针对济麦22弱势粒粒重对水分亏缺的响应较强势粒敏感的特征，本试验研究了水分亏缺条件下的济麦22籽粒腹部韧皮部SE-CCs复合体超微结构特征、其质膜ATPase酶活性及其与籽粒灌浆的关系，结果表明，正常供水条件下，花后15～20天的强势粒中，韧皮部SEs趋于成熟，呈现出清晰的细胞结构，且CCs有突出的细胞核位于细胞质的中央。随着水分亏缺处理时间的延长，ICs开始出现，且在花后15或20天，强势粒和弱势粒中CCs较少。花后25天，在正常供水条件下的强势粒中只观察有少量CCs。正常供水条件下的强势粒、水分亏缺条件下的强势粒和弱势粒中几乎观察不到CCs。花后25天，水分亏缺处理下的弱势粒韧皮部PPC出现质壁分离及细胞核浓缩现象，且SEs出现膜降解的现象。正常供水条件下，SE-CCs复合体、ICs和PPC细胞质膜及ICs和PPC细胞之间的胞间连丝呈现较强的ATPase活性（铅颗粒呈连续的带状分布），而水分亏缺条件下，SEs和ICs质膜及ICs与ICs之间的胞间连丝呈现较弱的ATPase活性（铅颗粒呈间断的点状分布），且CCs和PPC细胞质膜未发现有ATPase酶存在。以上结果表明，水分亏缺条件下，ICs较早的出现以弥补SEs纵向运输能力的不足，灌浆后期，弱势粒的韧皮部SE-CCs复合体的运输蔗糖的能力减弱，进而影响籽粒灌浆。
　　4.小麦旗叶乙烯合成对水分亏缺的响应及其与旗叶光合特性的关系
　　针对济麦22粒重对水分亏缺的响应较山农16敏感的特征，本试验系统分析了济麦22旗叶光合特性对水分亏缺的响应及其与旗叶乙烯释放的关系。远红外成像分析表明，水分亏缺显著提高济麦22旗叶的温度，可能与水分亏缺条件下旗叶的蒸腾速率降低有关，而喷施外源Spd或AVG均可显著降低旗叶的温度。水分亏缺显著降低灌浆前期济麦22旗叶的胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(gs)及灌浆中后期的电子传递速率(ETR)和光系统Ⅱ实际光化学效率(ΦPSⅡ)，从而降低旗叶的光合速率，而喷施外源Spd或AVG均可显著提高旗叶的光合速率。研究还表明，灌浆前期气孔因素是导致水分亏缺条件下旗叶光合速率降低的主要原因。随着灌浆时间的持续，除了气孔因素之外，非气孔因素也成为造成旗叶光合速率降低的重要因素。水分亏缺显著提高旗叶ACC浓度和乙烯释放速率，喷施外源Spd或AVG均可降低水分亏缺条件下的乙烯释放速率。相关分析表明，旗叶ACC浓度及乙烯释放速率与PN、ΦPSⅡ及ETR存在显著负相关关系，而ACC浓度与非光化学猝灭(NPQ)呈显著正相关关系。因此，水分胁迫条件下光合速率的降低与乙烯释放速率的增加密切相关。