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《西南大学》 2013年
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干旱胁迫下油菜抗倒伏相关性状动态变化及木质素关键基因表达特性分析

黄杰恒  
【摘要】:我国食用植物油自给率不到40%,是我国大宗农产品中安全形势最严峻的作物,制约我国油菜生产面积扩展的主要限制因素为油菜抗性弱和机械化水平低。油菜倒伏不仅产量比正常油菜减产10%~30%,严重的可达50%以上(姜维梅等,2001),而且品质差,含油量亦比正常油菜低10%~30%,也是油菜机械收割的限制性因素。旱害也是我国最常见、对农业生产影响最大的气候灾害,旱灾面积占农作物总受灾面积的一半以上,严重干旱年份比例高达75%(朱宗河,2011)。因此,研究干旱胁迫下油菜茎秆木质素基因的表达调控机制,可为提高油菜抗旱、抗倒能力,选育广适、多抗、耐机播机收油菜新品种提供理论依据。 本研究以10份较稳定的抗倒伏和易倒伏极端表现型甘蓝型油菜品种(系)为材料,通过旱棚内干旱胁迫和正常水分对照的对比试验,分析了抗倒伏与易倒伏极端表现型材料的茎秆相关性状、茎杆木质素含量及木质素单体比例等性状在不同发育时期的动态变化规律,比较了不同发育时期茎秆中木质素合成相关基因的表达差异,初步揭示了干旱胁迫下甘蓝型油菜抗倒伏特性形成的机理。主要研究结果如下: 1)干旱胁迫下油菜抗倒伏相关性状与茎杆抗折力间的关系。在油菜易发生倒伏的四个时期(蕾苔期、初花期、终花期、青荚期),每个材料在干旱组和对照组中各取3株,调查了株高、茎杆中部直径、含水量、抗折断力等性状,详细分析了各性状在两种环境下的动态变化差异;采用通径分析方法分析了株高、茎杆中部直径、含水量对茎杆抗折断力的影响。结果发现:(1)四个性状在干旱胁迫下的表现均与正常环境有明显差别,一般趋势是,干旱胁迫环境下,油菜植株变矮、茎杆含水量减少、茎杆直径变小但抗折断力增加;(2)各参试材料除受环境影响有共同的变化趋势以外,在部分发育时期有明显的基因型-环境互作现象存在;(3)通径分析表明在两种环境下,油菜的株高对茎秆的抗折力有最大的直接作用,直径对茎秆的抗折力也有一定的直接决定作用,剩余通径系数表明除株高和直径外还有其他一些因素决定茎秆的抗折能力。 2)干旱胁迫下油菜茎杆木质素含量、单体比率与油菜茎杆抗折性关系。在油菜易发生倒伏的四个时期,每个材料在于旱组和对照组中各取3株,测定了中部茎秆的木质素含量和木质素单体比例。结果表明:(1)终花期至青荚期间是油菜茎秆木质素的快速积累期;(2)在不同时期和不同环境处理下,茎杆木质素含量受环境影响很大,除蕾苔期外茎杆木质素在干旱条件下合成积累加快,其余时期茎杆木质素的合成速率还与基因型有关,存在明显的基因型-环境互作现象;(3)木质素含量与抗折性间的相关分析表明,两种环境条件下,油菜茎秆木质素的含量与茎秆抗折性间均存在显著或极显著的正相关关系,说明茎杆木质素含量愈高,茎秆的机械强度愈强,抗折性也愈强;(4)油菜H型木质素平均仅占总木质素总成分的10.96%,且各材料间相差不大;油菜木质素单体主要为S-G型木质素,各材料间木质素单体S/G比率有极显著差异;(5)蕾薹期至青荚期,两种环境下参试材料的主要木质素单体比例S/G均呈上升趋势,不同时期间达到极显著差异,说明S-型木质素占总木质素的比例越来越高;干旱胁迫下的茎秆木质素单体S/G的平均比例均略高于对照组,但各发育时期的差异均未达到显著水平;(6)初花期、终花期和青荚期两种环境条件下抗倒性材料的木质素单体S/G比率明显高于易倒伏材料,两种环境下,木质素单体S/G比率与茎杆抗折性间均达到了极显著正相关关系,推测S型木质素单体在木质素中所占的比例与油菜抗倒性有密切关系。 3)分析干旱胁迫下木质素代谢途径中关键基因表达特征发现。在油菜易发生倒伏的四个时期,每个材料在干旱组和对照组中各取3株,提取茎杆中部样品的RNA,采用荧光定量PCR法,测定不同处理下11个木质素代谢途径关键基因的相对表达量差异,结果表明:(1)在两种环境下,基因PAL1的表达量都是先升高后减小,但干旱胁迫下的表达量峰值推迟,在终花期明显高于正常环境;正常环境下,抗倒性较高材料在蕾薹期、终花期和青荚期基因PAL1表达量均明显高于易倒伏材料;(2)两种环境下,基因PAL2表达量都是先升高后降低,在初花期达到峰值,初花期正常环境下的PAL2表达量显著高于干旱胁迫环境,但终花期时的情况刚好相反;两种环境下,抗倒伏材料PAL2表达量在蕾薹期都明显高于易倒伏材料,其它时期差异不大;(3)两种环境下,基因C4H在茎秆中表达量从初花期到青荚期都是单调上升,正常环境略高于干旱胁迫;蕾薹期、终花期和青荚期易倒伏材料C4H的表达量明显高于抗倒伏材料,青荚期差异达到最大;(4)在两种环境下,基因4CL1的表达量变化趋势同PAL1;正常环境下,抗倒材料在蕾薹期和终花期4CL1的表达量明显高于易倒伏材料,胁迫条件下两类材料的差异不明显;(5)在两种环境下,基因4CL2表达量的变化趋势相同,在终花期达到峰值且干旱胁迫下的表达量明显高于正常环境;两类材料间的表达量差异同4CL1;(6)在两种环境下,基因COMT表达量变化趋势不同,干旱胁迫下为抛物线型,正常环境下为S型,在终花期干旱胁迫下的表达量显著高于正常环境;正常环境下,初花期和青荚期易倒伏材料的基因COMT表达量显著高于抗倒材料,但干旱胁迫下,青荚期易倒伏材料的基因COMT表达量却明显低于抗倒材料;(7)在两种环境下,基因CCoAOMT的表达量仅在青荚期迅速增加,且干旱胁迫下的表达量极显著高于正常环境;比较两类材料发现,两种环境下青荚期易倒伏材料基因CCoAOMT的表达量均远高于抗倒材料;(8)两种环境下基因F5H的表达量变化趋势相同,在初花期有峰值,但环境间差异不大;比较两类材料,抗倒材料在蕾薹期和终花期F5H的表达量明显高于易倒伏材料;(9)两种环境下基因CCRI表达量变化趋势与PAL1和4CL1表达特点相似;正常环境下,抗倒材料在蕾薹期和终花期的表达量明显高于易倒伏材料,干旱胁迫下,抗倒材料在终花期的表达量明显高于易倒伏材料;(10)干旱胁迫下,基因LAC4(?)的表达量在蕾苔期显著高于正常环境,但自初花期后,两种环境下的表达量都急剧下降,且两种环境下没有明显区别;两类材料间,仅在蕾苔期发现抗倒材料基因LAC4的表达量明显高于易倒伏材料;(11)两种环境下LAC17基因表达的变化特点完全同LAC4:两类材料比较发现,正常环境下,抗倒材料在终花期和青荚期的表达量明显高于易倒伏材料,但干旱胁迫下,抗倒材料在蕾苔期、终花期和青荚期的表达量却明显低于易倒伏材料。 4)基因表达量间及与木质素性状间的相关分析。分两种环境计算了11个基因表达量间以及与木质素含量、木质素单体S/G间的相关系数,并据此就11个基因作了聚类分析;以木质素含量、木质素单体S/G为目标性状,以11个基因表达量为自变量,分两种环境进行了通径分析。主要结果有:(1)正常环境下,各基因表达量间绝大多数有极显著正相关关系,表现明显的协同作用,只有COMT、 CCoAOMT基因较特殊,与大多数基因关系不明显,且与PAL2、LAC4和LAC17有负相关关系;在干旱胁迫下,C4H基因表达量只与CCoAOMT有极显著正相关,LAC4和LAC17只与PAL2、CCR1有极显著正相关,其余基因间保持明显的协同作用;(2)基因表达量聚类分析表明,LAC4和LAC17表达特征较一致,PAL1、4CL1.4CL2、CCR1和F5H的表达特点较一致,COMT、C4H和CCoAOMT的表达特征较特殊;(3)简单相关系数分析表明,两种环境下都只有基因LAC4和LAC17的表达量与木质素含量和木质素单体S/G间有极显著负相关,其余基因表达量与两个性状无明显关系;(4)通径分析表明,在正常环境下,基因PAL1的表达量与木质素含量作用的直接通径效应最大,其次是4CL2和4CL1;基因LAC17表达量与木质素的直接通径系数为负的最大值,其次是F5H和C4H。在干旱条件下,各基因的表达量与木质素的直接通径效应发生变化,基因CCoAOMT的表达量与木质素含量作用的直接通径效应最大,其次是4CL2和F5H;基因C4H的表达量与木质素的直接通径系数为负的最大值,其次是4CL1和LAC17。 上述研究结果初步明确了干旱胁迫对油菜茎秆水分含量、株高、直径、抗折力、木质素含量和木质素单体S/G在不同生育期产生的影响,初步分析了木质素合成各关键基因在不同生育期下表达量的动态变化规律,找到若干在干旱胁迫下的差异表达基因,为今后进一步阐明木质素代谢网络的环境调控、增加油菜茎杆木质素含量和抗折能力奠定了较好的基础。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S565.4

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