硅提高甘蔗抗旱性的生理及分子基礎(chǔ)研究.pdf

1、甘蔗是我國(guó)第一大糖料作物，甘蔗糖占我國(guó)食糖總產(chǎn)量90％以上，而我國(guó)甘蔗多種植在丘陵旱地上，蔗區(qū)土壤保水力不強(qiáng)，不能充分利用自然降水，干旱給甘蔗生產(chǎn)造成巨大的損失，成為限制我國(guó)甘蔗產(chǎn)量的主要因素之一。在生產(chǎn)上，可通過(guò)抗旱育種和基因改造來(lái)提高甘蔗抗旱性，但甘蔗遺傳背景復(fù)雜，所需周期比較長(zhǎng)，因此必須兼顧其它途徑解決甘蔗抗旱性問(wèn)題。本研究采用抗旱性強(qiáng)的甘蔗品種ROC22和抗旱性弱的甘蔗品種ROC16，研究干旱脅迫下Si提高甘蔗抗旱性的生理生化效

2、應(yīng)，并利用熒光定量PCR技術(shù)、雙向電泳和質(zhì)譜分析技術(shù)，探討Si提高甘蔗抗旱性的分子機(jī)制。主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴PEG脅迫下Si對(duì)甘蔗生理生化特性的影響。在PEG及PEG加Si條件下，甘蔗葉片相對(duì)含水量隨著脅迫加劇而逐漸下降，加Si能提高甘蔗保水能力。在水分脅迫下，甘蔗葉內(nèi)脯氨酸、H2O2、丙二醛(MDA)含量增加，加Si處理能使?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量處于更高水平，并降低MDA含量，緩解其積累給細(xì)胞帶來(lái)的傷害。在PEG脅迫條件下，

3、H2O2積累伴隨著抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶SOD、POD、CAT、GR和APX活性提高，加Si處理能進(jìn)一步提高上述酶活性而使活性氧清除能力得到增強(qiáng)，表明在干旱條件下，加Si處理能增強(qiáng)甘蔗抗氧化防護(hù)系統(tǒng)，從而提高其抗旱性。
　　 ⑵PEG脅迫下Si對(duì)甘蔗葉綠素?zé)晒鈪?shù)和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的影響。在PEG脅迫下，甘蔗葉片的葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm值及ΦPSⅡ值均比對(duì)照顯著下降。加硅處理后，能緩解葉綠素降解，減輕干旱對(duì)最大光能轉(zhuǎn)化效率（

4、Fv/Fm）、PSⅡ?qū)嶋H量子效率(ΦPSⅡ）的影響。同時(shí)，加Si處理提高了甘蔗地上部、根系中Si的含量，ROC22的吸硅能力強(qiáng)于ROC16。在PEG脅迫條件下，ROC22和ROC16的地上部和根系中N、P、K、Ca、Mg和微量元素的含量均下降，而加硅緩解了這些營(yíng)養(yǎng)元素含量的下降，使之回復(fù)到與對(duì)照接近或高于對(duì)照的水平，抗旱性較弱的品種ROC16受PEG模擬干旱的影響較大。可見(jiàn)，硅提高甘蔗的抗旱性與光合作用的改善和礦質(zhì)養(yǎng)分的調(diào)節(jié)有關(guān)。

5、>　　 ⑶PEG脅迫下Si對(duì)甘蔗幼苗葉片蛋白質(zhì)表達(dá)的影響。利用蛋白質(zhì)雙向電泳分析，得到兩個(gè)甘蔗品種PEG脅迫和加Si處理下差異蛋白點(diǎn)32個(gè)，質(zhì)譜成功鑒定其中23個(gè)。根據(jù)前人已鑒定的功能蛋白對(duì)這23個(gè)蛋白進(jìn)行功能分類，可分為6類。其中參與光合作用的蛋白6個(gè)，占26.09％，包括細(xì)胞色素b6-f復(fù)合體鐵硫亞基、葉綠體a-b結(jié)合蛋白、核酮糖-1，5-二磷酸羧化/加氧酶小亞基、23 kD多肽光合系統(tǒng)Ⅱ、葉綠體Ptr-ToxA結(jié)合蛋白;參與氧自

6、由基清除的保護(hù)酶6個(gè)，占26.09％，包括M型硫氧還蛋白、醌還原酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶、葉綠體Cu/Zn超氧化物歧化酶、溫度誘導(dǎo)指鈣蛋白;參與蛋白加工的蛋白3個(gè)，占13.04％，包括BRⅡ-KD互作蛋白、肽基脯氨酰順?lè)串悩?gòu)酶、蛋白酶體α亞單位6型;抗逆相關(guān)蛋白3個(gè)，占13.04％，包括熱激蛋白17.2、干旱誘導(dǎo)蛋白22 kD、核苷二磷酸激酶;參與細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的蛋白2個(gè)，占8.70％，包括生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白、角蛋白;未知功能蛋

7、白3個(gè)，占13.04％，為假定蛋白。
　　 ⑷抗旱相關(guān)基因的克隆與表達(dá)分析。通過(guò)克隆獲得了甘蔗核苷二磷酸激酶基因cDNA全長(zhǎng)為686 bp，甘蔗熱激蛋白基因cDNA全長(zhǎng)為659bp，甘蔗干旱誘導(dǎo)蛋白基因cDNA全長(zhǎng)為402 bp，細(xì)胞色素b6-f復(fù)合體鐵硫亞單位基因cDNA全長(zhǎng)為796bp。以25SrRNA基因?yàn)閮?nèi)參基因，利用熒光定量PCR技術(shù)研究了SoNDPK1、SosHSP、SoDIP、SoCYT基因在PEG脅迫和加Si處理

8、下在甘蔗中的動(dòng)態(tài)表達(dá)模式。結(jié)果表明:在PEG脅迫下，SoNDPK1基因表達(dá)均呈先升高后降低的趨勢(shì);加Si后，SoNDPK1基因的表達(dá)量始終高于未加Si處理的;sHSP受到了PEG脅迫的誘導(dǎo)表達(dá)，PEG和PEG+Si處理的SosHSP的表達(dá)量在前期均下降后期升高，PEG處理的SosHSP在96 h時(shí)達(dá)到最大，比對(duì)照升高了13.56倍，在96 h后迅速下降;而PEG+Si在處理144 h時(shí)才出現(xiàn)最大值，比對(duì)照增加了44.64倍。SoCYT基

9、因在兩種處理中的表達(dá)趨勢(shì)都一致，均為下降趨勢(shì)，加Si處理能減緩SoCYT基因表達(dá)的下降速度;在PEG處理中，SoDIP基因的表達(dá)隨脅迫時(shí)間逐漸緩慢上升而后下降，PEG加Si處理中，SoDIP基因的表達(dá)在前期就急劇上升，在30 h時(shí)達(dá)到最大，并且表達(dá)量始終高于PEG處理。加Si處理能夠調(diào)節(jié)這4個(gè)基因在PEG脅迫下表達(dá)量的上升或下降速度，使得這些基因所介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用增強(qiáng)，并阻止蛋白質(zhì)的變性，幫助變性蛋白重新折疊，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減輕對(duì)