赤霉素缓解精异丙甲草胺对水稻幼苗药害的作用机制

摘要

杂草是稻田主要有害生物之一，严重威胁水稻产量与品质。使用除草剂是防控杂草的主要方式，但易对作物本身产生药害。赤霉素作为植物中普遍存在的植物激素，对植株生长有促进作用。为解决常用除草剂精异丙甲草胺的药害问题，本文采用水稻作为实验材料，前期预实验筛选出缓解药害的最佳GA3浓度为800mg/L，利用960g/L浓度的精异丙甲草胺、800mg/L浓度的赤霉素分别进行4组不同处理(CK、M2、M3、M4 )，对水稻植株株高、根长、鲜重三个生理指标以及过氧化物酶(Peroxidase, POD)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽s转移酶(Glutathione S-transferase, GST)三个酶的酶活力进行测定，获得表型证据后进一步利用RNA-seq和UPLC、MS/MS联用的方法对水稻幼苗进行转录组和代谢组联合分析，主要结果如下：　　1.通过对生理指标的测定发现，与对照组(CK )相比，单独施用精异丙甲草胺(M2)后水稻(Oryza sativa L.)的株高，根长和鲜重分别下降至61.8％，57.7％和79.5％，其中，该组的株高、根长和CK组相比均有显著性差异。加入精异丙甲草胺与GA3共同处理的处理组(M3)株高、根长、鲜重恢复率达到90.1％，70.0％和85.5％，株高、根长同CK组和M2组相比均差异显著。仅使用GA3(M4 )的株高、根长、鲜重指标分别达到CK组的99.6％，70.8％和84.6％。证明添加GA3在一定程度上可以缓解精异丙甲草胺对水稻幼苗的药害，且主要体现在水稻幼苗的根茎部分，但以药害缓解为主要目的而设定的浓度，单独施加时会对根产生抑制作用。　　2.对水稻植株内POD、SOD和GST3个酶活指标进行了测定，其中POD活性在CK、M2、M3、M4中分别为40.078、32.975、74.732和76.878(U/mgprot)，M2中的该指数比CK低17.7％，M3中的该指数比CK高86.5％。在CK、M2、M3、M4中，SOD的活力分别为10.685、9.386、19.850和19.318(U/mgprot)，M2和M3中的该指数分别比CK中低12.2％、88.5％。CK，M2，M3，M4的GST活性分别为46.767、35.577、69.41和54.616(U/mgprot)，M2中的GST活力与CK相比降低23.9％，M3中的GST活力与CK相比提高48.4％。POD、SOD、GST酶均与活性氧清除有关，推测精异丙甲草胺会对作物清除活性氧等氧化功能产生抑制，添加GA3可以增强清除活性氧的能力，从而缓解精异丙甲草胺对水稻幼苗的药害。　　3.进行不同处理组的代谢组和学转录组分析，以挖掘缓解药害相关代谢物及基因变化。代谢组中主要鉴定出的代谢物类型为生物碱、有机酸，黄酮类，类固醇等。其中，生物碱和有机酸的含量与作物的逆境胁迫有关。转录组学和代谢组学分析的结合显示，CKvsM3组类固醇生物合成通路中，类固醇含量降低，同时，该通路上与氧化还原酶相关的3个基因Os01g0211000、Os01g0211200和Os03g0404800的表达量提高，结合酶活力测定结果，发现M2组中与GST活力相关的4个基因Os01g0692000、Os01g0949750、Os01g0949800、Os10g0528100的表达量降低，推测GA3消除活性氧(Reactive oxygen species, ROS)是减轻精异丙甲草胺对水稻生长的压力的关键。这些结果表明，精异丙甲草胺会对水稻的氧化还原酶类产生抑制，导致水稻幼苗的活性氧清除能力减弱，而添加GA3可以通过促进氧化还原酶类和GST相关基因的表达，提高POD、SOD、GST等酶活力，从而提高水稻内活性氧清除能力，减轻了精异丙甲草胺对水稻幼苗的毒性。

目录

第 1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 我国稻田杂草现状

1.3 我国除草剂使用现状

1.4 精异丙甲草胺简介及使用现状

1.5 赤霉素简介及使用现状

1.6 代谢组、转录组技术的应用

1.7 研究内容与创新点

1.7.1 除草剂对作物药害表型分析

1.7.2 酶活力实验

1.7.3 水稻幼苗的代谢组分析

1.7.4 水稻幼苗的转录组分析

1.7.5 创新点

1.8 课题来源

第 2章 材料与方法

2.1 试验材料、试剂、仪器

2.1.1 供试作物与试剂

2.1.2 试验仪器

2.2 试验方案

2.2.1 水稻幼苗的处理与培养

2.2.2 总蛋白与酶活力的测定

2.2.3 代谢组分析

2.2.4 RNA-Seq 分析

2.2.5 差异表达基因（ DEG）的 GO 功能及 KEGG 富集分析

2.3 数据处理

第 3章 水稻幼苗相关生理生化指标分析

3.1 引言

3.2 结果与分析

3.2.1 精异丙甲草胺、GA3 处理后对水稻幼苗生理指标的影响

3.2.2 精异丙甲草胺、赤霉素处理后对水稻幼苗酶活力的影响

3.3 讨论与小结

第 4章 赤霉素缓解精异丙甲草胺对水稻幼苗药害的代谢组分析

4.1 引言

4.2 结果与分析

4.2.1 差异代谢物的统计

4.2.2 差异代谢物的 KEGG 通路分析

4.3 CKvsM3 组中被注释到的差异代谢物及其通路

4.3 讨论与小结

第 5章 赤霉素缓解精异丙甲草胺对水稻幼苗药害的转录组分析

5.1 引言

5.2 结果与分析

5.2.1 基因的差异表达分析

5.2.2 差异基因的 GO 功能分析

5.2.3 差异基因的 KEGG 通路富集

5.3 讨论与小结

结论

主要结论

研究展望

参考文献

附录 攻读学位期间发表文章情况

致谢

附图