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外源硅对番茄幼苗水分胁迫伤害的缓解效应及机理研究

石玉  
【摘要】:水分亏缺是制约农业可持续发展的主要非生物胁迫因素之一。随着全球气温的持续升高,水资源短缺现象越来越严重,给农业生产造成极大的损失,因而关于提高作物抗旱机制的研究备受人们的关注。硅(Silicon, Si)是植物生长的有益元素。研究表明,外源Si可在一定程度上缓解干旱胁迫对植物生长发育的抑制,因而施用Si肥有望成为提高干旱或半干旱地区作物产量的重要手段。然而,目前人们对Si的抗旱机制仍不太清楚。本研究以四个番茄品种(‘金棚朝冠’、‘中杂9号’、‘欧宝318’和‘厚皮L402’)为试材,以10%聚乙二醇6000(PEG-6000)模拟水分胁迫,以0.5mM Na2SiO39H2O为Si源,研究了水分胁迫下Si对番茄种子萌发的影响,探讨了Si促进番茄种子萌发的机制。同时以番茄品种‘金棚朝冠’和‘中杂9号’为试材,采用营养液水培法,以10%PEG-6000模拟水分胁迫,结合外源施用2.5mM Si,研究了Si对水分胁迫下番茄植株生长、光合特性、水分代谢、渗透调节物质积累、氧化损伤与抗氧化防御的影响;利用高通量测序技术分析了Si对水分胁迫下番茄基因表达谱的影响,并利用实时荧光定量PCR技术验证了Si对光合作用和抗氧化防御相关基因表达的调控,以探讨Si提高番茄抗水分胁迫的生理调控机制。研究中同时辅以盆栽沙培试验,验证了外源Si在提高番茄抗旱性中的作用。主要结果如下: 1.水分胁迫下,四个番茄品种的发芽率(GP)、发芽势(GE)、发芽指数(GI)、活力指数(VI)、发芽速率(GV)、芽苗长度和鲜重均显著降低。胚根中的超氧阴离子(O2.ˉ)、过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均显著升高。以干重表示时,‘金棚朝冠’、‘中杂9号’和‘厚皮L402’胚根的总酚含量显著降低,但‘欧宝318’胚根的总酚含量显著升高;但以含水量表示时,‘金棚朝冠’、‘厚皮L402’和‘欧宝318’的总酚含量显著增加,‘中杂9号’总酚含量的变化不明显。外源加Si明显缓解了四个品种GP、GE、GI、VI和GV的下降幅度、改善了芽苗的生长,并进一步增加了SOD和CAT活性,降低了O2.ˉ、H2O2和MDA含量及POD活性;以干重表示时,外源加Si显著降低了‘金棚朝冠’、‘中杂9号’和‘欧宝318’的总酚含量,对‘厚皮L402’总酚含量的影响不显著;但以含水量表示时,外源加Si显著降低了四个品种胚根中的总酚含量。结果表明,Si对酚类代谢的调控及与酚类结合形成复合物有利于抑制活性氧的产生。外源Si可通过促进抗氧化防御、减少过量活性氧的产生而缓解水分胁迫对番茄种子萌发的抑制效应。 2.水分胁迫下,‘金棚朝冠’和‘中杂9号’两品种番茄幼苗地上部和根部生长受抑、干物质积累降低;叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、叶绿素含量、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、PSII潜在活性(Fv/Fo)、PSII有效光化学量子效率(Fv’/Fm’)、PSII实际光化学量子效率(ФPSII)、光合电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)和光化学反应的能量(P)均显著降低,而光合功能限制值L(PFD)、热耗散速率(HDR)和天线色素耗散能量(D)均显著升高。外源Si促进了胁迫下番茄幼苗干物质的积累、增加了根系长度和表面积、抑制了胁迫下叶绿素的降解、减缓了Pn、Gs和Tr的下降、提高了水分利用率;同时,加硅缓解了胁迫对番茄叶片PSII的伤害,有利于PSII反应中心能量的再分配,有效地增加了胁迫下PSⅡ反应中心的光化学活性、提高了番茄叶片的光化学效率。水分胁迫下Si对番茄根系生长和光合效率的促进有利于提高番茄的抗旱性。 3.水分胁迫下,‘金棚朝冠’和‘中杂9号’两品种番茄幼苗叶片相对含水量、总含水量和水势、根系水力学导度和根系活跃吸收面积均显著降低,叶片和根的质膜水孔蛋白基因表达下调。在水分胁迫下,加Si可缓解两个品种番茄叶片含水量和水势、根系水导及根系活跃吸收面积的下降,并促进质膜水孔蛋白基因的表达。渗透调节物质及渗透势分析显示,Si处理并未显著降低植物叶片的渗透势。结果表明,在水分胁迫下,Si促进了番茄根系活跃吸收面积和质膜水孔蛋白基因的表达、提高了根系的水分导度和吸水能力、从而改善了番茄的水分状况。 4.在水分胁迫下,‘金棚朝冠’和‘中杂9号’两品种番茄幼苗叶片和根系的相对电解质渗透率、O2.ˉ、H2O2和脂质过氧化产物MDA含量显著增加、质膜完整性受到破坏;抗氧化酶SOD和CAT活性在胁迫早期(3天前)发生应激性上调、而在胁迫后期(5天后)下降;受胁迫诱导POD活性一直维持较高的水平。除‘金棚朝冠’根系中的抗坏血酸外,抗坏血酸和谷胱甘肽水平在胁迫下基本呈下降趋势。在水分胁迫下,外源Si提高了胁迫后期SOD和CAT活性及抗坏血酸和谷胱甘肽水平,但在整个胁迫过程中均基本上抑制了POD活性的升高;同时,Si处理亦降低了两品种番茄叶片和根系的O2.ˉ和H2O2含量、缓解了脂质过氧化、维持了质膜的完整性,从而增强了番茄幼苗的抗旱能力。 5.转录组分析显示,在番茄叶片中,单独水分胁迫与对照相比差异表达的基因(即log2(ratio)≥1或≤-1)有3012个,其中上调基因1751个,下调基因1261个;正常条件下外源加Si与对照相比差异表达的基因有244个,其中上调基因149个,下调基因95个;水分胁迫下外源施Si与单独水分胁迫相比差异表达的基因有271个,其中上调基因123个,下调基因148个;水分胁迫下外源加Si与正常条件下施Si相比差异表达的基因有1373个,其中上调基因940个,下调基因433个。在根系中,单独水分胁迫与对照相比差异表达的基因有5009个,其中上调基因1684个,下调基因3325个;正常条件下外源加Si与对照相比差异表达的基因有237个,其中上调基因123个,下调基因114个;水分胁迫下外源施Si与单独水分胁迫相比差异表达的基因有758个,其中上调基因528个,下调基因230个;水分胁迫下外源加Si与正常条件下施Si相比差异表达的基因有5512个,其中上调基因1764个,下调基因3748个。对水分胁迫下施Si后差异表达基因的功能分析表明,外源Si对水分胁迫下番茄抗旱性的影响及其机理十分复杂,涉及到逆境应答、防御反应、氧化还原过程、代谢调节、离子转运和信号转导等过程中大量基因的协同表达。利用实时荧光定量PCR(Real-time PCR)方法对光合作用和抗氧化防御等过程中的9个候选差异表达基因进行了分析验证,定量检测结果与测序结果基本一致,证明了本试验建立的转录组数据库的可靠性,为耐旱相关基因的克隆和外源Si介导的耐旱分子机理的进一步研究奠定了基础。 总之,硅可通过促进根系水分吸收、提高抗氧化防御能力和光合作用等多个生理过程来提高番茄幼苗的抗旱性。


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