多巴胺和褪黑素对干旱和养分胁迫下苹果矿质养分吸收的调控研究

摘要

水分和矿质养分对植物生长发育以及产量的形成必不可少。在生物有机体中，矿质元素具有电化学、催化剂以及维持液压系统等功能，养分缺乏对植物生长发育具有消极影响。干旱胁迫能通过影响形态学、生理学、生物化学、新陈代谢、转录组学以及蛋白组学等过程，进而影响植物的生长发育。苹果作为重要的经济作物之一，在世界范围内广泛种植。中国西北黄土高原是世界苹果的优势产区，但该地区土壤干旱和贫瘠较为常见,干旱和养分胁迫是制约该地区苹果产业可持续发展的两大主要因素。近年来虽然有报道称多巴胺和褪黑素对缓解干旱胁迫和养分胁迫有重要作用，但是针对植物离子组养分浓度、吸收、转移、分配以及重吸收等高效利用的调控作用未见报道。本试验通过水培和田间盆栽试验研究了多巴胺和褪黑素对干旱胁迫和养分胁迫下苹果离子组的调控功能，并初步探讨了其作用机理。利用多巴胺合成过程中关键酶(酪氨酸羟化酶，TH)和褪黑素合成过程中的限速酶(羟基吲哚-O-甲基转移酶，HIOMT)转基因苹果植株进行了逆境处理，鉴定了TH和HIOMT在不同胁迫下的功能。主要研究结果如下： 1.以平邑甜茶实生苗为试材，通过水培试验研究了养分胁迫下外源多巴胺对植株生长、根系构型、养分吸收等的影响。研究结果表明：养分胁迫下，植株生长受到显著抑制，叶绿素浓度和光合速率降低，养分吸收、转移和分配受到影响。但外源施加100μM多巴胺显著缓解了这些抑制作用，能够维持叶绿素和光合作用在较高水平，促进了植株对N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn和B的吸收和转运，并改变了矿质元素的分配。此外，外源多巴胺上调了抗坏血酸-谷胱甘肽循环中抗氧化酶相关基因的表达(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2)，下调了衰老相关基因(SAG12、PAO和MdHXK)的表达。养分胁迫条件下外源多巴胺促进了养分的吸收利用，这可能与其具有抗氧化和抗衰老的功能相关。以过表达TH转基因苹果植株为试材，通过水培试验研究了转基因植株对低氮胁迫的抗性。研究结果表明：低氮胁迫下，过表达TH转基因株系的相对生长速率、δ15N的浓度、吸收和积累量均高于野生型植株。定量表达分析发现过表达TH转基因株系中硝酸根转运蛋白相关基因(NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表达量高于野生型植株。结果表明过量表达TH基因能够显著促进苹果植株对养分的吸收利用，并能提高对低氮胁迫的抗性。 2.以‘长富-2’苹果嫁接苗为试材，通过盆栽试验研究了长期干旱胁迫下施加外源多巴胺对植株生理和分子水平上的影响。研究结果表明：干旱胁迫下，植株生物量、光合作用、叶绿素浓度、气孔开张度等显著降低，但外源施加100μM多巴胺能够显著缓解干旱胁迫对这些指标的抑制作用。干旱胁迫下，大多数大量、微量和痕量元素浓度呈下降趋势，干旱胁迫显著降低了植株对这些元素的吸收，减少了矿质养分向叶和茎中的转运，但增加了养分在根中的积累。干旱胁迫降低了大部分元素的养分重吸收度，但增加了养分重吸收效率。外源多巴胺能够显著提高干旱胁迫下植株的元素浓度，促进了养分的吸收和转运，并改变了元素在根、茎、叶中的分配。但外源多巴胺处理不利于植株对养分的重吸收。定量表达分析发现，干旱胁迫上调了衰老相关基因PAO和SAG12的表达，但外源多巴胺能够抑制其表达。干旱胁迫下外源多巴胺能够调控植物对矿质元素的吸收、转运，分配和重吸收，进而影响植物的生长，可能与其能够延缓植物衰老有关。以过表达TH转基因苹果苗为试材，通过盆栽试验研究了过表达TH植株对干旱胁迫的抗性。研究结果表明：自然干旱胁迫下，过表达TH转基因株系能够维持较高的叶片相对含水量、光合作用、气孔开张度和叶绿素浓度，叶片相对电导率和过氧化氢含量显著低于对照植株。过表达TH转基因株系对δ15N的吸收、利用和积累均显著高于野生型植株。过表达TH转基因株系中氮代谢相关酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性显著高于野生型植株。定量分析进一步发现过表达TH转基因株系中氮代谢(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相关基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表达量显著高于野生型植株。过表达TH转基因株系长期干旱试验结果相似。这些结果表明过量表达TH基因能够显著促进苹果植株对养分的吸收利用，提高了对干旱胁迫的抗性。 3.以平邑甜茶实生苗为试材，通过水培试验研究了养分胁迫下外源褪黑素对植株生长、根系构型、养分吸收等的影响。研究结果表明：养分胁迫抑制了植株的生长，破坏了植株对元素的吸收。但外源施加0.1μM褪黑素能够显著缓解这些抑制作用。外源褪黑素显著上调了抗坏血酸-谷胱甘肽循环中抗氧化酶相关基因的表达(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2)。褪黑素能够显著上调钾转运相关基因和CBL1-CIPK23途径相关基因的表达。结果表明，褪黑素能够调控ROS信号并激活CBL1-CIPK23途径调控钾离子蛋白通道基因的表达，从而促进植株对钾离子的吸收。 4.以‘长富-2’苹果嫁接苗为试材，通过盆栽试验研究了长期干旱胁迫下施加外源褪黑素对植株的影响。研究结果表明：干旱胁迫抑制了植株的生长和对大量以及微量元素的吸收，但外源施加100μM褪黑素能够显著缓解干旱胁迫对植株生长的抑制，并能维持植物对元素的吸收量。施加外源褪黑素同时能够缓解干旱胁迫对光合作用、气孔开张度、叶绿素浓度和叶片相对含水量的抑制作用，并能降低叶片相对电导率和过氧化氢含量。稳定同位素示踪试验进一步证明外源褪黑素能够促进干旱胁迫下植物对δ15N的吸收、利用和积累。干旱胁迫显著抑制了氮代谢相关酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性，但褪黑素能够缓解这种响应。进一步分析了褪黑素对氮代谢和转运相关基因表达的影响，发现褪黑素能够上调氮代谢相关基因(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相关基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表达量。同时，外源褪黑素处理显著提高了植株体内褪黑素含量。以过表达HIOMT转基因苹果苗为试材，通过盆栽试验研究了转基因植株对干旱胁迫的抗性。研究结果表明：自然干旱胁迫下，过表达HIOMT转基因株系能够维持较高的叶片相对含水量、光合作用、叶绿素浓度以及叶绿素荧光参数，叶片相对电导率含量以及过氧化氢积累量显著低于野生型植株，参与活性氧清除的SOD、POD和CAT活性以及ASA-GSH循环相关基因(MdcAPX、MdcGR、MdMDHAR、MdDHAR-1和MdDHAR-2)表达量均维持在较高水平，表明过表达HIOMT能够增强转基因植株干旱胁迫下的抗氧化能力。长期干旱试验结果相似，过表达HIOMT转基因株系能够缓解干旱对植株生长以及光合作用的抑制作用，缓解叶绿素的降解，过表达HIOMT转基因株系对δ15N的吸收、利用和积累均显著高于野生型植株。干旱处理60天后，过表达HIOMT转基因株系中氮代谢相关酶(NR、NiR、GS和GOGAT)的活性显著高于野生型植株。定量分析进一步发现过表达HIOMT转基因株系中氮代谢(NR、NiR、GS、Fd-GOGAT和NADH-GOGAT)和吸收相关基因(AMT1;2、AMT1;5、AMT1;6、AMT2;1、NRT1;1、NRT2;4、NRT2;5和NRT2;7)的表达量显著高于野生型植株。这些结果表明过量表达HIOMT基因能够显著促进苹果植株对干旱胁迫的抗性。 5.以富士结果树为试材，通过盆栽试验研究了干旱胁迫下长期施用多巴胺和褪黑素对果实生长以及品质的影响。研究结果表明：干旱胁迫显著抑制了苹果果实的生长，但外源多巴胺和褪黑素均能缓解这种抑制作用。干旱胁迫下，果实颜色指数(CI)和花青苷含量降低，表明干旱胁迫不利于果实着色。施加外源多巴胺和褪黑素能够提高果实CI值和花青苷含量。干旱胁迫下，这两种外源物质升高了果实可溶性固形物含量，并能改变果实中其它可溶性糖含量。干旱胁迫下，外源多巴胺和褪黑素显著促进了果实对大量和微量元素的吸收。这些结果表明外源多巴胺和褪黑素能够促进干旱胁迫下果实着色，促进花青苷和可溶性糖积累，并能显著促进果实对元素的吸收。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 植物干旱胁迫研究进展

1.2 植物养分高效利用研究进展

1.3 植物中多巴胺的研究进展

1.4 植物中褪黑素的研究进展

1.5 本研究的目的和意义

第二章 养分胁迫下多巴胺对苹果矿质元素吸收利用的调控

2.1 材料与方法

2.2 试验结果与分析

2.3 讨论

2.4 小结

第三章 干旱胁迫下多巴胺对苹果矿质元素吸收利用的调控

3.1 材料与方法

3.2 试验结果与分析

3.3 讨论

3.4 小结

第四章 养分胁迫下褪黑素对苹果矿质元素吸收利用的调控

4.1 材料与方法

4.2 试验结果与分析

4.3 讨论

4.4 小结

第五章 干旱胁迫下褪黑素对苹果矿质元素吸收利用的调控

5.1 材料与方法

5.2 试验结果与分析

5.3 讨论

5.4 小结

第六章 干旱胁迫下外源多巴胺和褪黑素对苹果果实品质及矿质元素吸收的调控

6.1 材料与方法

6.2 试验结果与分析

6.3 讨论

6.4 小结

第七章 结论与创新点

7.1 结论

7.2 创新点

参考文献

缩略词

致谢

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