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1,2,4—三唑类植物生长调节剂的研制及其作用机理研究

蔡光容  
【摘要】:“化控技术”是由多学科交叉所产生的项新型栽培技术,在农业生产中具有用量少、见效快、操作简单和便于推广等优点,在缓和作物遗传、缓解限制,增加作物产量,改善品质,提高作物抗逆性方面发挥着非常积极的作用。因此,在面临人口增加,耕地减少,环境恶化造成胁迫事件频发的条件下,化控技术因其独特的优势和作用备受人们的关注。以烯效唑、多效唑为代表的三唑类植物生长调节剂在增产、抗逆方面起着非常重要的角色。同时烯效唑、多效唑在生产上也存在诸多不足,包括药效敏感容易产生药害、缓解胁迫伤害的同时延缓了作物的生长进程,部分三唑类调节剂存在土壤残留,对动物存在一定的慢性毒害。绿豆是一种杂豆类作物,其种子颗粒较小、萌发活力较高,是研究豆类作物以及植物生长调节剂的理想试材。为了寻求活性广、低毒、绿色、环保的三唑类植物生长调节剂,我们设计合成了一系列1,2,4-三唑类衍生物,并以绿豆“绿丰5号”为试材,将所有目标化合物设计为不同浓度(0μM、1μM、10μM、100μM、1000μM)浸种处理,22±2℃下黑暗培养,培养5 d后考察绿豆主根根长和侧根数量,筛选出1个具有促进主根伸长生长效应较好的化合物---CGR_3。进一步开展CGR_3对绿豆根部内源激素平衡、根生长动力学以及经皮、经口毒性评价研究。为了拓展CGR_3在绿豆上的应用范围,分别考察其对绿豆种子萌发、幼苗生长发育、增加绿豆逆境抗性的调控效应,并取得以下研究结果:设计并合成了10个含1,2,4-三氮唑官能团的衍生物,其中9个是新化合物并被第一次所报道。采用NMR,HRMS技术对所有新化合物进行结构表征,利用红外(IR),X-单晶衍射手段对部分化合物做进一步的结构佐证。鉴定结果能合理解释化合物的结构特征,与预期结果一致,说明选择的合成条件以及结构表征手段合理且有效。化合物AP_2对绿豆根据有促进生长的作用,调控生理效应与烯效唑不同。AP_2与CGR_3是同系物,结构特征相似。100μM CGR_3处理促进绿豆主根的伸长生长,其根长较对照处理增加43.4%,高于AP_2和其余所合成化合物。CGR_3同浓度下促进根伸长效应与市场化调节剂DTA-6处理效果接近。这些结果拓宽了三氮唑类植物生长调节剂的生理活性,且CGR_3属于植物生长促进剂。绿豆发芽48 h后经100μM CGR_3处理可显著提高绿豆根部生长素含量,处理后第4d达到最大值,较对照增加3.15倍;与对照处理相比,CGR_3处理96 h内持续增强ABA的积累,而赤霉素对CGR_3的响应呈前期抑制后期促进的趋势;对照与CGR_3处理根中ZR含量变化无显著差异。说明CGR_3不是单独影响其中某一个内源激素平衡,而是多个激素共同作用,从而调控绿豆根系的生长发育。CGR_3处理72 h后绿豆根伸长量达最大值,较对照增加21.6%.根据小鼠经口和大鼠经皮急性毒理试验结果可以初步判断化合物CGR_3属于经口和经皮急性低毒类物质。小鼠急性经口试验:雄性LD_(50)为4250 mg/kg,雌性为2890 mg/kg;大鼠(雄性,雌性)急性经皮试验:LD_(50)2000 mg/kg。250μM CGR_3浸种显著提高了绿豆种子的发芽势、发芽率、发芽指数以及活力指数;50 mg/200 g CGR_3拌种处理,显著提高绿豆苗期株高,植株的生物量,根冠比。说明CGR_3可有效调控绿豆种子萌发和幼苗的生长发育。50 mg/200 g CGR_3增强苗期叶片叶绿素含量、光合电子传递能力、潜在光化学能、PS II反应中心原初电子转化能力以及光化学能的分配额度,说明CGR_3处理有利于绿豆叶片对光能的吸收、传递和利用。此外,该浓度下CGR_3处理还增加了绿豆叶片气孔导度、蒸腾速率,降低了胞间二氧化碳浓度和气孔导度,这些研究结果说明CGR_3可有效地调控绿豆叶片气孔的开度,保持较好的通透性,有利于气体交换,同时增加了二氧化碳浓度的利用率,最终增加了碳同化能力和净光合速率。150mM氯化钠胁迫条件下,250μM CGR_3处理能有效地缓解盐胁迫对根长、根体积、根表面积以及生物量的抑制;减少根部丙二醛、超氧阴离子和过氧化氢含量,分别较对照处理降低33.1%、29.2%和41.6%;提高绿豆根部GSSG、AsA的含量和AsA/DHA值,分别较单独盐胁迫处理增加16.3%、4.9%和25.8%,同时显著降低绿豆根中GSH、DHA的含量和GSH/GSSG值,分别较对照处理降低43.9%、8.7%和35.1%。与对照相比,250μM CGR_3处理提高了CAT、GR、GST、POD、SOD抗氧化酶的活性,其中GST酶活提高4.26倍,GR、POD、SOD、CAT酶活则分别提高1.11倍、1.45倍、1.16倍和1.29倍。此外,中度盐胁迫下,250μM CGR_3处理诱导了7个绿豆谷胱甘肽巯基转移酶候选胁迫应答基因的上调表达,分别是LOC106755414 p-GST、LOC106775403 p-GST-pA、LOC106761010GST 3 like、LOC106754873 p-GST、LOC106755029 p-GST、LOC106761043 GST 3 like和LOC106755411 GST。以上研究结果说明,中度盐胁迫条件下适宜浓度的CGR_3可减少绿豆根活性氧的含量从而降低细胞膜质过氧化程度,通过增强谷胱甘肽-抗坏血酸循环、抗氧化酶活性以及谷胱光甘肽巯基转移酶相关基因的上调表达最终提高绿豆抵抗中度盐胁迫伤害的能力。始花期(R1)叶面喷施100 mg/L的CGR_3,与对照相比,CGR_3处理有效地调控了绿豆叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和SPAD值。100 mg/L处理在盛花期(R2)达最大蒸腾速率和SPAD值,R4期获取最大蒸腾速率、净光合速率和SPAD值。测产结果表明,100 mg/L CGR_3可提高绿豆的单株荚数和单株粒数,分别较对照处理增加38.9%和22.1%。该研究结果表明始花期(R1)喷施100 mg/L的CGR_3可增强绿豆叶片光合作用能力和产量,增产23.4%。


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