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《南京师范大学》 2019年
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外源蔗糖增强高表达转玉米C_4型pepc水稻耐旱性机制探究

张晓敬  
【摘要】:为揭示蔗糖在植物干旱响应信号转导中的作用,以高表达转玉米C_4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)基因(C_4-pepc)水稻(简称PC)和野生型“Kitaake”(简称WT)为材料,分析了在10%聚乙二醇6000(polyethylene glycol-6000,PEG-6000)模拟干旱处理下,种子萌发期间外施不同浓度蔗糖对种子萌发的影响,确定了干旱处理下促进PC种子萌发的蔗糖最佳处理浓度为3 mmol/L,在此基础上,进一步在苗期和分蘖期在10%PEG模拟干旱或自然干旱处理下外施3 mmol/L蔗糖,进一步探究在植株水平上蔗糖促进PC水稻干旱响应的生理生化机制。主要结果如下:1、以WT和PC同年收获的种子为材料,消毒浸种后10%PEG-6000模拟干旱处理,同时设置0/0.3/3/30/150 mmol/L蔗糖处理,通过检测种子发芽系数、胚根和胚芽长度比值、总可溶性糖及糖组分含量、可溶性蛋白含量、种子内源C_3-pepc和外源导入C_4-pepc基因表达及SnRK1s亚家族基因的表达。结果发现,干旱条件下与WT相比,外施3 mmol/L蔗糖显著提高了PC种子发芽率和发芽势,改善了PC胚根和胚芽的正常发育;同时观察到PC芽中内源蔗糖含量显著上调,而且渗透调节物质可溶糖和可溶性蛋白含量也显著增加。值得关注的是,在单独模拟干旱处理下,PC芽中内源C_3-pepc基因表达显著增加,但外施3 mmol/L蔗糖处理后下调了内源C_3-pepc基因表达而显著上调了外源导入C_4-pepc表达,且外施蔗糖处理后SnRK1s亚家族基因在PC水稻中表达显著增加。相关性分析也进一步验证了PC种子发芽参数与各个生理指标及C_4-pepc基因和SnRK1s亚家族基因表达相关。显示在10%PEG-6000模拟干旱处理后,外施3 mmol/L蔗糖改变了PC中内源蔗糖的浓度,通过糖信号SnRK1s家族基因的表达诱导了外源导入C_4-pepc基因的表达,从而使种子内渗透调节物质如可溶性糖和可溶性蛋白含量增多,从而有利于缓解干旱胁迫对PC种子萌发的抑制。2、为进一步揭示外施低浓度蔗糖参与PC水稻植株水平耐旱调节机制,以WT和PC水稻为材料,通过水培和盆栽实验,分别在10%PEG-6000模拟干旱或自然干旱处理后,外施3 mmol/L蔗糖,测定叶片相对含水量、叶绿素含量、光合参数及生理指标、SnRK1s亚家族和SnRK2s亚家族相关基因及干旱相关下游基因和转录子的表达。结果发现,外施蔗糖显著改善了干旱处理下PC叶片卷曲程度,显著提高了PC叶片相对含水量和叶绿素含量,大大提高了PC净光合速率,而对WT的效果却不明显;进一步检测发现,PC中蔗糖含量显著上升,可溶性总糖含量和脯氨酸含量显著增加,蔗糖转运蛋白基因表达显著增加,C_4-pepc基因表达大幅度上调,SnRK1s亚家族基因的表达增加,与受ABA诱导相关的SnRK2s亚家族基因表达显著上调,同时下调了干旱相关的下游基因和转录子的表达。相关性分析可知,PC净光合速率与干旱相关转录子OsbZIP23、OsbZIP46和NAC6表达相关;外施蔗糖使PC中蔗糖含量上调,内源蔗糖含量和PC内可溶性糖含量与C_4-pepc表达极显著相关。此外,内源蔗糖含量与OsSUT1和OsSUT4表达相关,而且分别与SnRk1s和SnRk2s基因表达极显著相关。可见,外源蔗糖的引入,通过上调PC水稻内源蔗糖转运蛋白家族基因,增加了PC内源蔗糖浓度,从而进一步增加了PC中可溶性糖的含量,上调C_4-pepc基因表达和能量代谢相关的SnRK1s亚家族基因的表达,显示了内源蔗糖的信号特征。干旱条件下,蔗糖信号还可能通过与ABA信号互作,参与SnRK2s亚家族基因调控干旱相关下游基因和转录因子的表达,最终使PC在干旱胁迫下始终保持较高相对含水量和叶绿素含量,维持其光合稳定,从而增强PC水稻植株水平的耐旱能力。
【学位授予单位】:南京师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S511

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