烟草种质ISSR标记及对氮素响应的生理遗传与差异蛋白质组学研究

【摘要】： 氮素营养对烟草生长和烟叶品质形成起着决定性作用,是烟草育种栽培研究中的热点问题,倍受国内外同行的普遍重视。本研究应用ISSR分子标记分析了96份烟草种质资的遗传多样性和遗传演化规律;并基于分子聚类结果选择遗传差异较大的36份烟草种质资源,通过3种不同氮肥水平的大田试验探讨了烟草对氮素响应的基因型差异和耐低氮的生物学性状评价指标;在此基础上,通过不同氮素条件的水培实验分别探讨了烟草耐低氮生理性状评价指标、吸收机制、生理遗传及差异蛋白表达与调控特征。主要研究结果如下: 1、ISSR标记揭示出了烟属种间的遗传多样性远大于普通栽培种内的遗传多样性,普通栽培种内不同栽培类型烟草的遗传多样性水平依次为烤烟＞晒晾烟＞白肋烟＞香料烟;从进化上看,烤烟和晒晾烟间的遗传进化关系最近,香料烟和黄花烟间的亲缘关系最远;中国与国外的烟草栽培种有共同血缘关系,未因地理隔离而发生明显遗传分化;普通栽培品种遗传基础贫乏将潜伏着较大的生产危机,开展烟草种质创新研究应予以重视。基于ISSR标记的分子聚类结果为:普通烟草栽培种内的所有普通烟草栽培品种聚为一个大类群同黄花烟及野生种区别开来,烟草栽培种又可细分为8小类群。 2、烟草对氮素响应的基因型差异明显,其中在低氮条件下表现最为显著,可作为评价氮效率的氮素水平条件;在考察的农艺性状中,以单株叶重(产量)差异最大;相关性分析表明,耐低氮的生物学性状评价指标为单株叶重、最大叶面积、茎粗、生物量。在供试36个烟草品种中,属于低氮下氮肥高效利用的烟草品种有永定400号、金烟6号、NC82、红花大金元和G80,属于不耐低氮的烟草品种为De-gold、白花G-28、K399、G28、南罗德西亚和Hick55,属于较耐低氮的种质资源为云烟85、Nc89、翠碧1号、湖里种和Delhi76。 3、不同氮素水平下的烟草生理性状评价指标分析表明,耐低氮生理性状评价指标为根部含氮量、叶片叶绿素含量、光能捕获能力、光量子产额和光化学效率。通过氮效率、氮素吸收效率、氮素利用效率的相关性分析表明,和氮素利用效率相比,烟草较高的氮素吸收效率对烟草氮效率的贡献较大。通过比较不同烟草品种K326与翠碧一号的地上部生长与根系氮素吸收动力学得出,植株地上部叶片较大的生长势是决定植物氮素吸收的内在原因,在根系吸收上,较高Vmax和较低Km、Cmin是根系高效吸收的表现,根系氮素吸收动力学参数Vmax、Km、Cmin会根据供氮水平而变化,但变化的趋势存在基因型间差异,这种差异和烟草品种对不同氮水平响应的基因型差异密切相关。 4、不同氮素水平下的烟草生理性状遗传分析表明,多数氮素吸收利用相关性状的遗传变异中加性主效应、显性主效应、加性×环境互作效应、显性×环境互作效应均起一定作用,但作用的大小不同;和其他性状相比,地上部含氮量和根部含氮量的遗传受加性主效应影响较大,单株地上部干重、单株根干重、地上部含氮量、地上部氮积累量、地下部氮积累量、单株总的吸氮量等性状的遗传受显性主效应影响较大;所有氮素吸收利用相关性状的遗传变异中,显性×环境互作效应均起较大作用,表明基因型与氮水平互作效应十分重要,对氮素吸收利用性状的选择要在特定氮水平下进行。叶绿素、光合参数与叶绿素荧光参数的遗传变异中,显性×环境互作效应均起较大作用,其他遗传效应表现不明显。从性状间遗传相关性来看,与氮素吸收利用有关的性状间均存在明显的表型相关与遗传相关,遗传相关又可分为性状间的加性遗传相关、显性遗传相关、加性×环境互作遗传相关、显性×环境互作的遗传相相关。另外,氮素吸收利用性状同若干光合生理、叶绿素荧光参数间也存在明显的遗传相关性。 5、在低氮胁迫下,烟草根系与叶部的蛋白质组变化揭示,对于叶片蛋白与根系蛋白分离良好的蛋白点分别有648与523个,其中在高低氮条件下叶片差异表达的蛋白点有67个,在根系中差异表达的蛋白点有47个,表明低氮胁迫导致烟草根系与叶部的蛋白质组发生显著变化。通过MALDI TOF/TOF~(TM)对烟草差异表达的蛋白进行了分析认为,来自不同基因家族的21个蛋白的功能被鉴定,低氮胁迫后蛋白表达调控的规律表现为,在烟草根系中参与蛋白降解相关的蛋白、参与碳代谢相关的蛋白、参与生物逆境和非生物逆境胁迫反应的保护酶类在低氮下表现上调;氮饥饿增强了根系细胞对分子伴侣的需求;保护酶类相关蛋白与光合作用相关蛋白在低氮的叶片中表现下调表达。