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珊瑚菜耐盐生理机制及液泡膜Na~+/H~+逆向转运蛋白基因的克隆与分析

李宏博  
【摘要】:土壤盐碱化是人类面临的重要环境问题,它对农牧业的可持续发展构成了严重威胁。了解植物耐盐机制和培育具有一定经济价值的耐盐作物资源,对扼制土地的盐渍化和提高盐荒地的利用具有重要意义。 本研究在解除珊瑚菜种子休眠的基础上,针对种子萌发期和幼苗生长期建立了珊瑚菜耐盐性评价体系,并对其耐盐能力进行了鉴定;明确了珊瑚菜耐盐的类型和对盐胁迫的生理响应机制;获得了珊瑚菜液泡膜Na~+/H~+逆向转运蛋白基因,并分析了其生物学特性。为进一步完善植物耐盐机制,开发和利用耐盐植物资源奠定了前期工作基础。主要研究成果如下: 1.珊瑚菜种子具有较强的休眠特性。在变温层积条件下,100mg·L~(-1)6-BA溶液可显著促进北沙参种子萌发,在第90d时发芽率达到最高为63.3%。离体萌发试验表明,胚乳因素对珊瑚菜种子萌发具有显著抑制作用,保留1/3胚乳的珊瑚菜种子萌发率最高,可以达到31%。而TDZ、6-BA和GA3处理不仅对解除珊瑚菜种子休眠的作用不大,同时容易导致出现畸形苗。 2.珊瑚菜种子萌发阶段具有较好的耐盐特性。NaCl溶液处理的半致死浓度为0.68%,致死浓度在为1.52%。当NaCl浓度大于1.5%时则显著抑制其种子的萌发。NaCl处理可以延迟种子发芽的初始时间,降低种子总发芽率。复水试验表明,珊瑚菜种子仍保持着较高的萌发潜力,萌发潜力与处理浓度呈显著正相关。 3.珊瑚菜幼苗生长期具有较强的耐盐特性。溶液培养条件下,100mmol·L~(-1)NaCl处理的珊瑚菜幼苗生长状态和生长量正常。当溶液中NaCl浓度超过200mmol·L~(-1)时生长开始受到抑制,在300mmol·L~(-1)NaCl处理条件下开始出现植株死亡,存活率为50%左右。 4.珊瑚菜幼苗生长期的相关生理指标表明,当珊瑚菜受到较低浓度(100mmol·L~(-1))NaCl处理时,可溶性糖作为渗透调节物质首先发挥主要调节作用。随着盐浓度和处理时间的增加,抗氧化酶系统也逐渐启动。当NaCI浓度超过植物自身调节能力时,植物的单位反应中心数量会明显降低,从而影响植物的生长。经过多元统计分析表明,丙二醛含量、Fv/Fm、ETo/ABS、叶绿素a含量、DIo/RC和RC/CSo共同构成了珊瑚菜耐盐性指标的有效评价体系。 5.土壤盆栽条件下,随着NaCl处理浓度的增加,珊瑚菜生长状况变化明显。0.5%和1.0%NaCl处理浓度时,珊瑚菜受到轻微影响,当土壤NaCl浓度达到1.5%时,干物质积累率下降明显,个别植株死亡。 6.珊瑚菜不同器官中Na~+、K~+、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量的测定结果表明,叶柄是珊瑚菜贮存Na~+的主要器官;正常条件下,叶柄中Na~+含量分别是叶片和根中的2.7倍和79倍。与Na~+不同,根中的K~+、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量受NaCl处理的影响较小,含量均较稳定,与对照相比均不存在显著性差异;叶柄和叶片中的K~+随着NaCl处理浓度的增加呈降低趋势,Ca~(2+)含量则正相反,呈升高趋势;叶柄中Mg~(2+)也随着NaCl处理浓度的增加而降低,叶片中Mg~(2+)含量则变化不大;Na~+/K~+离子比在1.5%NaCl处理条件下,增加幅度较大,与其他处理相比存在极显著差异。 7. NaCl处理对珊瑚菜K~+、Na~+、Ca~(2+)和Mg~(2+)离子选择性吸收和运输的结果表明,NaCl处理过程中,由土壤选择吸收K~+、Ca~(2+)和Mg~(2+)的能力均呈先升高后降低趋势;由根向叶柄选择运输中,三种离子均不断增加;由叶柄向叶片选择运输中,K~+和Mg~(2+)降低幅度明显,而Ca~(2+)含量变化不大。 8.珊瑚菜的光合作用受NaCl影响较大,0.5-1.0%NaCl处理条件下,气孔限制值导致光合效率的降低,而在1.5%NaCl处理条件下,光合效率的降低主要受叶肉细胞本身光合活性降低的影响。底物氧化途径和电子传递途径均表现出适应盐渍环境的特性。 9.呼吸速率和呼吸途径的测定结果表明,在0-1.0%NaCl处理条件下,珊瑚菜呼吸速率较稳定;当NaCl处理浓度提高到1.5%时,珊瑚菜呼吸速率下降幅度明显;EMP+TCA是珊瑚菜的主要底物氧化途径,随着NaCl处理浓度的增加,两者所占比例增加明显,而PPP则相反,降低趋势明显;电子传递途径中以CP为主,NaCl处理对CP和AP途径的影响不大。 10.珊瑚菜NHX的cDNA全长为2553bp,5′非翻译区为531bp,3′非翻译区为361bp,开放阅读框为1662bp,编码554个氨基酸。将珊瑚菜NHX编码区1662bp核苷酸序列在GenBank中进行比对后发现,与番茄的同源性为96%,矮牵牛为95%;与葡萄、杨树、番薯等几种植物部分序列相比同源性在80%以上,可以证明从珊瑚菜中克隆的是NHX基因。氨基酸预测和同源性分析表明,珊瑚菜NHX有11个跨膜结构区域,珊瑚菜NHX与矮牵牛、菊苣、刺槐等植物液泡膜型Na~+/H~+逆向转运蛋白亲缘关系较近。


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