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《甘肃农业大学》 2018年
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大麦种质资源磷利用效率的评价及其转录组分析

任盼荣  
【摘要】:植物缺磷是限制其生长发育的主要因素之一。全球范围内,缺磷土壤面积不断扩大,严重影响了农业生产。尽管化肥的施用能提高作物产量,但也带来了环境污染等一系列问题。磷矿是磷肥的原料,一种不可再生资源,将面临枯竭,所以培育磷高效作物新品种势在必行。大麦作为最早被驯化的作物之一,具有很强的抗逆性,有“荒漠化前最后的作物”之称。基于此,本研究对150份大麦种质资源的磷效率进行评价,筛选出磷高效和低效基因型,以此为研究对象,从形态、生理生化和分子水平上探索它们响应低磷胁迫的综合机制,主要结果如下:1.通过盆栽试验Ⅰ对150份大麦种质资源进行正常磷和低磷水平处理,成熟后对主要农艺性状进行评价,发现不同基因型响应贫磷胁迫的反应差异较大,总体表现为生长发育迟缓且产量下降。其中耐低磷品系GN121在贫磷胁迫下株高、茎粗、穗长、穗粒数、穗重和千粒重较正常磷处理分别下降了0.86%、2.5%、1.45%、4.17%、3.79%和4.31%;低磷敏感品系GN42的各项指标降幅分别为10.37%、15.39%、51.97%、31.25%、40.74%和27.03%。综合评价各性状指标筛选出磷高效(GN121)和低效(GN42)基因型各一份。2.以GN121和GN42为试验材料,通过水培试验Ⅰ对它们苗期的根系形态特征分析,发现根系体积、表面积和总长度均在贫磷胁迫下有不同程度的降低,且GN121在贫磷条件下较对照最大的降幅分别为4.92%、3.45%和0.79%,而GN42的最大降幅分别为37.86%、18.87%和12.37%。经盆栽试验Ⅱ对它们在不同生育时期的保护性酶活性、叶绿素、无机磷和丙二醛含量测定发现,GN121的保护性酶活性、叶绿素和无机磷含量在处理与对照之间差异不显著,而GN42在贫磷处理下各指标参数较对照的降幅均达到显著水平,GN121在贫磷胁迫下的丙二醛含量增加幅度远小于GN42,它们在贫磷胁迫下的丙二醛含量较对照的最大增幅分别为2.46%和24.58%。通过水培试验Ⅱ对不同处理条件下GN121和GN42根系中磷转运蛋白HvPT5基因的表达量分析发现,随着胁迫时间的延伸,GN121在贫磷胁迫下持续上升,而GN42则相反。3.以大麦田间施肥量及其1/10分别为正常磷和贫磷处理水平,通过水培的方式对GN121和GN42的长势及生理生化指标分析发现,处理第19天时,GN121和GN42在贫磷胁迫处理下的根系生长明显较对照缓慢,且GN42的地上部也开始出现差异。处理第90天时,GN121的长势受贫磷胁迫影响远远小于GN42。对处理第3天、第19天以及恢复第3天两份材料的生理生化指标分析,结果表明贫磷胁迫下干重、无机磷及可溶性糖含量呈下降趋势,其中贫磷胁迫下GN121各性状指标较对照的最大降幅分别为7.69%、26.18%和16.33%,而GN42中各指标的降幅更大,分别为21.79%、44.22%和26.89%。然而酸性磷酸酶活性、相对电导率和可溶性蛋白含量却有不同程度的增加,其中贫磷胁迫下GN121各性状指标较对照的最大增幅分别为32.89%、20.63%和22.99%,GN42中各项指标的增幅分别为26.04%、45.46%和64.80%。当恢复供磷水平后,除相对电导率持续升高外,其余指标的变化均与贫磷胁迫下相反。就上述指标而言,除相对电导率外,同一条件下GN121的各项指标均比GN42大;4.通过二代和三代转录组测序,构建了大麦贫磷胁迫下转录水平的数据库,对比不同磷水平处理下转录本信息,在GN121和GN42中分别鉴定得6182和5270个差异表达基因,其中大部分基因参与了磷代谢途径(如:磷脂降解、含磷酶的水解、蔗糖合成、磷酸化和去磷酸化以及代谢调控等),且GN121中这些基因的表达量显著高于GN42。此外,还在根系和叶片中分别检测到6个和7个磷转运蛋白,它们的表达模式在GN121和GN42之间差异较大。本研究从不同角度研究了GN121和GN42之间磷利用效率的差异,并在分子水平上进行了初步探索,鉴定到一些与磷代谢相关的基因,但它们在磷代谢过程中的功能和作用仍需进一步研究。
【学位授予单位】:甘肃农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S512.3

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