丝瓜砧木提高黄瓜干旱抗性的机制研究

摘要

黄瓜是一种重要的蔬菜作物，深受人们喜爱，在园艺栽培和生产中占有重要地位。水分是影响黄瓜营养生长和生殖生长的重要因子，黄瓜生长发育过程中易受水分胁迫的影响，在干旱和半干旱地区水分胁迫更加严重。嫁接是一种提高园艺作物胁迫抗性的有效手段，在生产中已得到广泛应用。但是，逆境胁迫下，抗性砧木是如何感知胁迫信号、砧木与接穗的信息交流是怎样进行的仍有待研究。本文以黄瓜（Cucumis sativus L.）和丝瓜（Luffa cylindricaL.M.Roem.）为实验材料，将黄瓜分别嫁接到丝瓜和黄瓜砧木上，获得黄瓜自根嫁接植株（Cs/Cs）和丝瓜砧嫁接黄瓜植株（Cs/Lc），从光合、失水率、气孔运动、脱落酸(ABA)对气孔运动的调控、气孔对ABA的敏感性和水分利用效率等方面研究了嫁接提高黄瓜干旱抗性的生理和分子机制。所得结果主要有:
　　1.研究了丝瓜作砧木对嫁接黄瓜干旱抗性的影响。自根嫁接植株（Cs/Cs）和丝瓜砧嫁接黄瓜植株（Cs/Lc）浇透水后分别进行自然干旱处理，检测了干旱9天时植株表型、氧化胁迫程度、干物质积累、水分利用效率和抗氧化物酶活性，同时测定了干旱过程中两种嫁接植株的净光合速率、蒸腾速率、瞬时水分利用效率、叶面积变化和失水率的变化。研究发现，干旱9天后Cs/Cs植株已出现明显萎蔫状态，而Cs/Lc植株叶片仍比较饱满，干旱后期Cs/Lc植株叶面积、干物质积累、PSⅡ最大光化学效率、净光合速率、水分利用效率、抗氧化物酶活性均明显高于Cs/Cs植株，但其氧化胁迫和失水率明显低于Cs/Cs植株，以上结果表明黄瓜经丝瓜嫁接后可明显提高黄瓜植株的干旱抗性。
　　2.研究了ABA在丝瓜砧木诱导的嫁接黄瓜植株干旱抗性中的作用。我们比较了干旱过程中Cs/Cs和Cs/Lc两种嫁接植株气孔开度变化、气孔中H2O2积累、叶片中ABA合成关键基因NCED2的表达和ABA在根系、木质液和叶片中的积累以及两种嫁接植株气孔对ABA的敏感性和干旱下两种嫁接植株新生叶片的ABA含量及气孔密度差异。为了进一步验证ABA在其中的作用，我们分别清除两种嫁接植株根或叶片中的ABA并对Cs/Cs植株根灌ABA后检测其干旱抗性。研究发现，Cs/Lc植株可以较早地诱导气孔开度的下降和H2O2的积累，且Cs/Lc植株可以较早地诱导根部ABA的积累及通过木质液向地上部的运输并促进叶片中NCED2的上调表达，最终引起叶片ABA较早的累积。而且，Cs/Lc植株气孔对ABA的敏感性明显强于Cs/Cs植株。同时，干旱下Cs/Lc植株新生叶片的ABA含量明显高于Cs/Cs植株且气孔密度明显降低。更重要的是，只有清除Cs/Lc植株根部ABA后才会明显削弱其干旱抗性，并且Cs/Cs植株根部添加ABA后其干旱抗性明显增强。综上，干旱胁迫下，Cs/Lc植株一方面可以较早地诱导根部ABA的累积并通过木质液向地上部运输以及通过增加气孔对ABA的敏感性降低气孔开度从而减少水分散失，H2O2可能参与了此过程，另一方面Cs/Lc植株可能通过降低干旱下新生叶片的气孔密度来减少水分散失，从而增强其干旱抗性。
　　3.研究了不同基质含水量下丝瓜作砧木对嫁接黄瓜植株干旱抗性的影响。我们将自根嫁接植株（Cs/Cs）和丝瓜砧嫁接黄瓜植株（Cs/Lc）分别进行土壤含水量(SWC)为50％、40％、30％、15％和7％的干旱处理，7天后检测植株表型、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、瞬时水分利用效率(iWUE)、气孔开度、水势、失水率、叶面温度、ABA合成及信号途径相关基因表达。研究发现，在不同基质含水量下，Cs/Lc植株均表现出较强的干旱抗性，其净光合速率、瞬时水分利用效率、水势和叶面温度明显高于Cs/Cs植株，并伴随着较低的气孔导度、蒸腾速率、气孔开度和失水率，且ABA合成及信号途径正向调节枢关基因(PYL1、PYL2、PYL5、PYL8、SnRK2.1、SnRK2.2、ABCG22、RAB18、RD29B)较高或较早的表达而负调因子PP2C1有降低水平的表达。综上，在不同干旱程度下，Cs/Lc植株均可以通过增加ABA敏感性、降低气孔开度减少水分散失和提高水分利用效率进而表现出较强的干旱抗性。

目录

声明

致谢

摘要

缩略词表

1 引言

1．1 植物对干旱胁迫的应答机制

1．1．1 依赖于ABA的途径

1．1．2 不依赖于ABA的途径

1．2 气孔在植物响应干旱胁迫中的作用

1．2．1 气孔发育

1．2．2 气孔运动

1．3 嫁接在提高园艺作物干旱抗性中的作用

1．3．1 嫁接提高园艺作物干旱抗性的研究进展

1．3．2 干旱下提高植物水分利用效率(WUE)的策略

1．4 本文的研究目的和意义

2 丝瓜作砧木对嫁接黄瓜植株干旱抗性的影响

2．1 材料与方法

2．1．1 供试材料与试验设计

2．1．2 叶面积测定

2．1．3 鲜重、干重的测定

2．1．4 荧光参数Fv／Fm测定

2．1．5 超氧阴离子(O2·-)、H2O2组织化学染色

2．1．6 相对电导率(REL)的测定

2．1．7 光合气体交换测定

2．1．8 单位面积失水量

2．1．9 失水率

2．1．10 日失水率

2．1．11 瞬时水分利用效率

2．1．12 综合水分利用效率

2．1．13 抗氧化物酶活性测定

2．1．14 方差分析

2．2 结果

2．2．1 干旱对嫁接黄瓜植株生长的影响

2．2．2 干旱下嫁接黄瓜植株PSII最大光化学效率、ROS积累和相对电导率的变化

2．2．3 干旱下嫁接黄瓜植株失水率的变化

2．2．4 干旱下嫁接黄瓜植株净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的变化

2．2．5 干旱下嫁接黄瓜植株抗氧化物酶活性的变化

2．3 讨论

3 ABA在丝瓜砧木诱导的嫁接黄瓜植株干旱抗性中的作用

3．1 材料与方法

3．1．1 供试材料与试验设计

3．1．2 气孔开度检测

3．1．3 保卫细胞内H2O2的测定

3．1．4 总RNA的提取和cDNA合成

3．1．5 实时定量PCR(qRT-PCR)分析

3．1．6 木质液提取和植物内源ABA水平测定

3．1．7 离体叶片失水率

3．1．8 ABA敏感性检测

3．1．9 气孔密度检测

3．1．10 ABA合成抑制剂的使用

3．1．11 叶面积检测

3．1．12 失水量检测

3．1．13 鲜重、干重检测

3．1．14 相对电导率(REL)测定

3．1．15 瞬时水分利用效率检测

3．1．16 方差分析

3．2 结果

3．2．1 干旱下嫁接黄瓜植株气孔开度变化及H202积累

3．2．2 干旱下ABA转录水平表达及其在叶片、木质液和根中的含量变化

3．2．3 ABA对嫁接黄瓜植株生长的影响

3．2．4 ABA对嫁接黄瓜植株鲜重、干重、相对电导率及水分利用效率的影响

3．2．5 ABA合成抑制剂对嫁接黄瓜植株ABA积累、干旱抗性及水分利用效率的影响

3．2．6 离体叶片失水率及不同嫁接黄瓜植株气孔对ABA的敏感性

3．2．7 干旱下不同嫁接黄瓜植株新生叶片气孔密度的变化

3．3 讨论

3．3．1 干旱下丝瓜砧木通过调控气孔运动增强嫁接黄瓜植株的干旱抗性

3．3．2 干旱下丝瓜砧木较早地诱导根部ABA的合成及向地上部的运输

3．3．3 丝瓜砧木增加了嫁接黄瓜植株气孔对ABA的敏感性

4 不同基质含水量下丝瓜作砧木对嫁接黄瓜植株干旱抗性的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 供试材料与试验设计

4．1．2 干物质含量的测定

4．1．3 相对电导率(REL)的测定

4．1．4 气孔开度观察及统计

4．1．5 光合气体交换测定

4．1．6 瞬时水分利用效率的计算

4．1．7 水势的测定

4．1．8 失水率的计算

4．1．9 叶面温度的测定

4．1．10 RNA的提取、cDNA合成及荧光定量PCR分析

4．1．11 方差分析

4．2 结果

4．2．1 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株生长的影响

4．2．2 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株气孔开度的影响

4．2．3 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株光合速率、气孔导度、蒸腾速率和瞬时水分利用效率的影响

4．2．4 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株水势及失水率的影响

4．2．5 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株叶面温度的影响

4．2．6 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株ABA合成相关基因表达的影响

4．2．7 不同基质含水量对嫁接黄瓜植株ABA信号途径相关基因表达的影响

4．3 讨论

5 总结和展望

5．1 总结

5．1．1 丝瓜作砧木对嫁接黄瓜植株的干旱抗性的影响

5．1．2 ABA在丝瓜砧木诱导的嫁接黄瓜植株干旱抗性中的作用

5．1．3 不同基质含水量下丝瓜砧木对嫁接黄瓜植株干旱抗性的影响

5．2 展望

参考文献

个人简历及发表文章