不同保绿类型玉米叶片光合特性与蛋白质组差异及氮素调控

摘要

本试验于2010-2012年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心和作物生物学国家重点实验室进行。采用两个保绿差异明显的玉米自交系为材料(保绿型:齐319(Q319)、非保绿型:黄早四(HZ4))。采取单株盆栽种植模式。氮素处理分为缺氮(N0)和正常施氮(N40)两种，P、K肥按照大田标准正常施入，正常施氮处理苗期基肥50％+大口期追肥50％。利用叶绿素荧光诱导动力学和820 nm光吸收曲线系统研究了不同保绿型玉米花后衰老过程中叶片光合作用衰退的原因及氮素调控机理。同时利用双向电泳技术，分析衰老过程中叶片差异蛋白质组学的变化规律及氮素调控关键位点。主要结果如下:
　　 1不同保绿型玉米花后叶片光合特性的变化差异
　　 衰老中前期叶片净光合速率与光系统性能间存在极显著的相关性，该阶段光系统性能是限制叶片净光合速率强弱的主要原因，但两者之间的相关性在衰老中后期呈减弱趋势，同时叶片净光合速率与羧化反应系统性能间的相关性呈现增强趋势，因此在叶片衰老中后期，羧化系统活性成为限制叶片净光合速率强弱的主要因素。两品种相比，保绿型玉米Q319叶片光系统性能在衰老中前期显著高于非保绿型玉米HZ4，高性能维持期也显著长于HZ4;同时，羧化反应性能衰老中后期下降显著低于HZ4，对减缓净光合速率后期下降起到了稳定作用。
　　 2氮素对玉米花后叶片光合特性的影响
　　 施氮条件下两品种叶片光系统性能与净光合速率间的相关性关系向衰老后期延续。羧化反应关键酶活性与净光合速率之间呈显著相关性的时期向衰老前期提前，同时向衰老后期延续。氮素对光系统性能和羧化反应系统性能同时提升的作用是维持同化力形成与消耗平衡的关键。品种间相比，HZ4叶片光系统性能和羧化反应关键酶活性在施氮条件下较缺氮处理随略有提高，但不足以改善叶片衰老过程中两系统的整体变化趋势，因此衰老中前期光系统性能下降明显，中后期羧化反应系统性能快速降低，同化力形成与消耗之间存在着不同步现象，客观表现为叶片衰老中前期“稳定态”和“缓降态”维持时间较短，衰老中后期“速降态”过早出现。
　　 3不同保绿型玉米花后叶片差异蛋白质组变化
　　 两品种叶片衰老过程中差异蛋白主要分布在叶绿体、细胞间质和细胞膜内。按主要功能分类在整个衰老过程占有比例最高的隶属于碳代谢、光合作用、能量代谢和ATP互变4个领域。其中，占比例最大的两个功能组分别是碳代谢和光合作用功能组，两组的比例在衰老中期和后期显著降低，其中保绿型玉米Q319两组随衰老的降幅显著高于HZ4。两品种差异蛋白中权重蛋白分布也主要集中于光合作用组和碳代谢组。HZ4权重蛋白活性随衰老呈下调趋势，蛋白变化范畴集中于羧化反应酶系，且前期无活性上调现象，而Q319权重蛋白活性则随衰老呈先升后降趋势，蛋白变化范畴广，在羧化反应酶系、光反应酶系及抗氧化酶系中均有表达，尤其是前期光反应相关酶系活性的上调显著。
　　 4缺氮对玉米花后叶片差异蛋白质组的影响
　　 缺氮条件下，保绿型玉米Q319叶片在衰老前期差异蛋白质表达量以上调为主，上调蛋白数量显著多于施氮处理，但表达量显著小于施氮处理。该时期表达量上调的差异蛋白主要功能集中于超氧化物清除酶系、光合作用酶系以及碳代谢和能量代谢酶系，其中具有光合作用功能和碳代谢功能的上调蛋白在衰老前期占有比例显著多于其他功能。缺氮处理叶片在衰老中期和后期，具有超氧化物清除、光合作用及碳代谢功能的权重差异蛋白表达数量显著增加，同时表达量下调幅度增大，导致叶片衰老中后期活性氧清除性能下降，光合作用性能降低，同时伴随碳代谢能力下降。
　　 5不同保绿型花后叶片光/羧相关蛋白质组变化差异
　　 两品种叶片衰老过程中，隶属于PSⅠ电子传递链末端具有同化力形成功能的蛋白质组活性下降速度显著快于定位于PSⅡ电子传递链前段具有光能/电能转化的蛋白质组活性，导致用于羧化反应的同化力数量下降，与本试验光合生理所阐述的光系统在衰老过程中性能的强弱主要受控于PSI性能的高低结果一致。品种间相比，非保绿型玉米HZ4同化力形成能力下降在衰老过程中明显快于保绿型玉米Q319，与两品种衰老过程中光系统差异结果一致。衰老中前期Q319叶片羧化系统同化力消耗能力显著高于HZ4，利于维持同化力形成与消耗之间的平衡，较好的解释了Q319叶片衰老中前期存在着明显的光合高值持续期，而HZ4则衰老快速下降的分子生物学原因。
　　 6缺氮对玉米花后叶片光/羧相关蛋白质组的影响
　　 缺氮条件下，叶片衰老过程中光系统中下调数量最多和下调量最大的差异蛋白主要集中于光合电子传递链末端PSI处，多以具有氧化还原功能的铁硫蛋白和ATP合成蛋白为主，且光系统差异蛋白数量占光/羧总数量的比例显著增加，其中隶属于PSI具有同化力形成功能的蛋白活性下降更为明显。同时，缺氮条件下叶片羧化系统相关差异蛋白的表达量在衰老前期上调幅度显著低于施氮处理，衰老中后期羧化系统相关差异蛋白表达量下调趋势显著高于施氮处理。总体上，氮素显著的提高了叶片衰老前期的羧化系统关键酶的活性，使之消耗同化力的能力增强，同时叶片衰老前期光系统同化力形成能力在施氮条件下显著上升，因此，施氮条件下叶片中前期光系统提供的大量同化力能够被羧化系统充分消耗，从而促进了该阶段叶片光合高值持续时间。

目录

声明

符号说明

摘要

1 前言

1．1 目的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 叶片衰老的内涵

1．2．2 叶片衰老的表现及衡量标准

1．2．3 叶片保绿性对玉米生长发育的影响

1．2．4 叶片衰老的生理学研究

1．2．5 差异蛋白质组学研究

1．2．6 叶片蛋白质的研究

1．2．7 衰老蛋白质组学研究

1．2．8 玉米蛋白质组学研究

1．2．9 氮素对玉米叶片保绿性的调控

2 材料与方法

2．1 试验设计

2．2 测定项目与方法

2．2．1 叶绿素含量

2．2．2 叶片气体交换参数

2．2．3 快速叶绿素荧光动力学曲线与820 nm光吸收曲线

2．2．4 JIP-test分析

2．2．5 荧光成像

2．2．6 羧化系统关键酶系

2．2．7 可溶性蛋白质提取

2．2．8 蛋白质裂解

2．2．9 蛋白双向第一向等电聚焦(IEF)

2．2．10 IPG胶条的平衡

2．2．11 蛋白双向第二向电泳(SDS-Page)

2．2．12 考马斯亮蓝染色

2．2．13 蛋白凝胶成像与分析

2．2．14 质谱分析差异蛋白点与数据库检索

2．2．15 差异蛋白组数据的模式识别

2．2．16 差异蛋白组数据的聚类分析

2．2．17 其他生理指标分析

3 结果与分析

3．1 不同保绿类型玉米产量差异及氮素影响

3．1．1 产量及产量构成因素

3．1．2 氮素对产量及产量构成因素的影响

3．2 不同保绿类型玉米花后叶片光合性能差异及氮素影响

3．2．1 叶绿素含量

3．2．2 气体交换参数

3．2．3 荧光成像差异

3．2．4 光系统Ⅱ(PSⅡ)性能

3．2．5 光系统Ⅰ(PSⅠ)性能

3．2．6 光反应系统性能

3．2．7 羧化系统性能

3．2．8 光羧协调性能

3．3 不同保绿类型玉米花后叶片差异蛋白质组及氮素影响

3．3．1 不同保绿类型玉米花后叶片总差异蛋白质组

3．3．2 不同衰老时期叶片差异蛋白质组

3．3．3 氮素对花后叶片总差异蛋白质组的影响

3．3．4 不同衰老时期叶片差异蛋白质组

3．4 不同保绿类型玉米花后叶片光合差异蛋白质组及氮素影响

3．4．1 花后叶片总光合差异蛋白质组

3．4．2 不同衰老阶段叶片光合差异蛋白质组

3．4．3 氮素对花后叶片总光合差异蛋白质组的影响

3．4．4 氮素对叶片不同衰老阶段光合相关差异蛋白质组的影响

3．5 不同保绿类型玉米叶片花后碳代谢蛋白质组及氮素影响

3．5．1 不同保绿型玉米花后衰老过程中叶片总碳代谢蛋白质组

3．5．2 不同保绿型玉米花后衰老过程中叶片碳代谢蛋白质组

3．5．3 氮素对玉米花后衰老过程中叶片碳代谢相关总蛋白质组的影响

3．5．4 氮素对玉米花后不同衰老阶段叶片碳代谢相关蛋白质组的影响

4 讨论

4．1 不同保绿型玉米花后叶片光合特性的变化差异及氮素影响

4．1．1 不同保绿型玉米花后叶片光合特性差异

4．1．2 氮素对不同保绿型玉米花后叶片光合特性差异的影响

4．2 不同保绿型玉米花后叶片差异蛋白质组变化及氮素影响

4．2．1 不同保绿型玉米花后叶片差异蛋白质组变化

4．2．2 氮素对玉米花后叶片差异蛋白质组变化的影响

4．3 花后叶片光／羧及碳代谢相关蛋白质组变化差异及氮素影响

4．3．1 不同保绿型玉米花后叶片光／羧相关蛋白质组变化差异

4．3．2 氮素对玉米花后叶片光／羧相关蛋白质组变化的影响

4．3．3 不同保绿型玉米花后叶片碳代谢相关蛋白质组变化差异及氮素影响

5 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文