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《上海海洋大学》 2019年
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上海地区大麦地方品种的耐低氮筛选和鉴定指标及分子机制研究

姜琪  
【摘要】:氮元素是作物生长发育所不可缺少的大量元素之一。因而,基于化肥工业和矮化育种的第一次绿色革命,使得作物的产量得到了空前的提高。然而,与此同时大量或过量施肥带来了很多问题,诸如作物氮素利用率下降、土壤板结、环境污染等等。因此,农业上一方面急需减轻对氮肥的依赖,另一方面又要保证作物的产量,这种矛盾日益突出。而培育和种植耐低氮作物品种可以有效解决以上问题。然而,植物耐低氮的表型鉴定和分子机理都非常复杂,到现在还不是很清楚。大麦是世界第四大禾谷类作物,也是模式植物之一,抗逆性强,耐脊性好,因此利用大麦来开展耐低氮研究,有助于更好地推动作物耐低氮育种。上海市农业科学院大麦细胞工程课题组前期收集了一批上海地区大麦地方品种,并对其进行了遗传多样性分析,发现其遗传背景非常丰富。而且这些大麦品种都属于适合上海地区生长的生态类型,所以从中筛选出耐低氮种质对于上海地区的大麦耐低氮育种具有重要意义。主要的研究结果如下:1.采用水培试验,设正常供氮和低氮胁迫两个处理,通过研究根长、株高、分蘖数和干质量等指标对19份大麦地方品种的耐低氮特性进行筛选和鉴定。结果显示,各性状在不同供氮水平和品种间均有显著差异,并且供氮水平和品种间的互作作用达到显著水平,表明低氮胁迫水平设置合理,各品种也表现出对低氮胁迫反应不同;两种供氮条件下大麦的分蘖数和干重变异系数均较大,说明这两个指标在品种间的差异明显,较适合作为耐低氮筛选指标;株高性状受基因型差异的影响较小,不适合作为耐低氮品种筛选指标。相关分析表明,两种供氮条件下,大麦干重与其他指标均呈显著正相关,但低氮胁迫下其相关程度有所下降。鉴于生物量在耐低氮鉴定评价中的重要作用,对低氮胁迫和正常供氮条件下大麦的地上部干重进一步进行比较,t测验表明,大麦品种B929、B942、B945、B968和B974在正常供氮和低氮胁迫下地上部干重无明显差异,说明这5个大麦品种具有较强的耐低氮能力,同时该判断标准也弥补了仅利用相对值来判断耐低氮性的不足。另外,研究大麦地上部干重指标和氮素吸收利用相关指标在耐低氮中的关系,发现同时考虑氮素吸收和利用相关性状才可能对大麦品种耐低氮性进行判断。2.从前面筛选到的5份耐低氮大麦地方品种中随机挑选了3个,通过两个更低氮素浓度的低氮胁迫(分别为0.24mM NH_4NO_3和0.10mM NH_4NO_3),对其进行进一步的耐低氮性鉴定。结果发现,大麦地方品种B929在这两个低氮胁迫下都表现出较好的耐低氮性,B968仅在0.24mM NH_4NO_3下耐低氮性较好,而B974在这两个低氮胁迫下耐低氮性则都比较差。变异系数分析进一步验证了,干重性状更适合用于大麦耐低氮筛选,而株高则不太适合。本研究又进一步探索了氮素相关生理性状作为大麦耐低氮评价的可行性,并讨论了在低氮胁迫下,氮素吸收和利用相关性状对大麦耐低氮的重要性。3.采用转录组学的方法,将耐低氮品种B968在三个氮素浓度(正常供氮、0.5mM NH_4NO_3、0.24mM NH_4NO_3)下处理1h后将地上部组织进行转录组测序和分析。与正常供氮相比,发现低氮胁迫1(0.5mM NH_4NO_3)和低氮胁迫2(0.24mM NH_4NO_3)分别有12295个和12497个差异基因。从基因表达上来看,低氮胁迫与正常供氮有明显区别,而两个低氮处理间比较相似。两种低氮处理下的差异基因的GO分析,其分类都主要集中在细胞组分部分,而且类别也非常相似。KEGG分析也发现两种低氮处理的差异基因其代谢途径很相似,其中光合生物固碳代谢途径富集因子较大,且光合作用相关差异基因在低氮处理下全部都表现出上调表达,其中分别都有两个基因在两种低氮胁迫差异基因上调表达最高的10个基因中。综上所述,光合作用代谢途径相关基因可能与大麦耐低氮相关,相关基因可以用于进一步的研究。另外,我们也发现qPCR验证时存在与测序结果不一致的情况,并进行了讨论。
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