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香豆素、咖啡酸对紫花苜蓿及轮作作物幼根形态和结构的影响及其生理变化

陶茸  
【摘要】:苜蓿(Medicago sativa L.)作为优质多年生豆科牧草,具有一次种植、多年收获、产草量高、营养丰富、适口性好等特点,是优质蛋白质饲料的重要来源。但由于苜蓿自毒作用,种植过苜蓿的土壤很难重茬种植。目前紫花苜蓿主要自毒物质香豆素、咖啡酸对自身的自毒作用及主要轮作作物小麦、玉米的他感作用机理鲜见报道,尤其是对紫花苜蓿、小麦和玉米幼根解剖结构、根系內源激素的影响及分子机制未见系统报道。本研究采用培养皿培养方法,对受试紫花苜蓿、小麦和玉米种子进行外源香豆素、咖啡酸分别单个物质添加和混合物质添加试验,比较研究对3种作物种子发芽率、发芽指数、幼苗主根长、苗高、根尖生长、根缘细胞活性、根冠果胶甲基酶(PME)和化感综合效应指数等指标的影响。采用营养液沙培法,进行浓度梯度为0,0.5,5,50,500 mg·L~(-1)的外源香豆素、咖啡酸分别单种物质添加和混合物质添加试验,运用石蜡切片技术和根系扫描系统,比较研究外源添加物对苜蓿、小麦和玉米总根长、总根表面积、根体积、根尖数等根系形态指标与根粗、皮层厚度、中柱直径及发育、导管数量及面积等解剖结构变化特征,采用HPLC法检测和分析了3种作物幼苗根系ABA,GA_3,IAA,ZT的含量动态及效应特征。应用高效液相色谱法和实时荧光定量PCR方法,定量分析香豆素、咖啡酸对紫花苜蓿、小麦及玉米幼苗根系中ABA含量和ABA合成关键酶NCED、ZEP和BG的基因表达调控规律,并探索作物种类、ABA含量及合成关键酶基因三者间的关系。获得如下主要研究结果。1.香豆素、咖啡酸及香豆素+咖啡酸混合物对小麦种子萌发的化感抑制效应由强至弱依次为香豆素混合物咖啡酸,对玉米抑制作用则表现为混合物香豆素,咖啡酸呈他感促进作用。随添加物浓度的增加,小麦和玉米种子萌发及幼苗生长受抑强度增强,但同浓度同种类添加对小麦的抑制程度强于玉米。2.咖啡酸和香豆素+咖啡酸混合物均以50 mg·L~(-1)为正效应和负效应的分界点,香豆素以5 mg·L~(-1)为正效应和负效应的分界点,随外源添加物浓度的升高对苜蓿根伸长的促进效应逐渐减弱。5 mg·L~(-1)的香豆素和咖啡酸显著促进玉米根的伸长生长,500 mg·L~(-1)的香豆素和香豆素+咖啡酸混合物对小麦和玉米根伸长量均呈现明显的抑制效应,且香豆素+咖啡酸混合物的抑制作用强于香豆素。紫花苜蓿根缘细胞抵御香豆素、咖啡酸和香豆素+咖啡酸混合物胁迫的浓度阈值分别是5mg·L~(-1),500mg·L~(-1),50mg·L~(-1);小麦和玉米根缘细胞抵御香豆素和香豆素+咖啡酸混合物胁迫的浓度阈值分别是500 mg·L~(-1),50 mg·L~(-1)和50 mg·L~(-1),500 mg·L~(-1)。3.0.5 mg·L~(-1)的香豆素+咖啡酸混合物处理对苜蓿幼根皮层、中柱、导管等解剖结构的发育呈现显著的促进作用,且增强了单体香豆素和咖啡酸的促进作用(P0.05)。500mg·L~(-1)添加物对苜蓿幼根系形态构建的自毒抑制综合效应由强至弱依次为:香豆素混合物咖啡酸。对小麦和玉米幼苗的化感作用为低浓度促进,高浓度抑制,在低浓度处理时,对小麦的化感促进作用由强至弱依次为咖啡酸香豆素+咖啡酸混合物香豆素,咖啡酸对玉米的促进作用最强,高浓度处理时对小麦的化感抑制作用由强至弱依次为香豆素+咖啡酸混合物香豆素咖啡酸,混合物对玉米的抑制最用最强。与小麦相比,高浓度处理下,随着处理时间的延长,三种外源添加物对玉米根系形态建成的化感综合抑制作用弱于小麦。4.咖啡酸对三种作物根系內源激素IAA,ZT,GA_3合成的抑制作用最弱,对激素ABA的促进作用在阈值(50 mg·L~(-1))范围内也最弱。激素ABA对苜蓿、小麦和玉米的生长发育起着至关重要的作用,为主效内源激素。根系激素IAA和ZT的变化趋势在玉米幼苗根系中基本一致,各激素比值间均呈现极显著性正相关。6.香豆素+咖啡酸混合物处理在一定程度上有效刺激了紫花苜蓿ABA合成途径中关键酶NCED、ZEP和BG的相对表达量,使紫花苜蓿根中ABA含量上升,提升紫花苜蓿抵抗香豆素和咖啡酸的自毒作用。NCED和ZEP在苜蓿中的相对表达量高于小麦和玉米,但BG在苜蓿中的相对表达量低于小麦和玉米。NCED和ZEP的相对表达量与ABA含量的线性相关性在苜蓿和小麦中呈相似的正相关,ZEP相对表达量和ABA含量在玉米中呈极显著线性正相关(P0.01)。外源添加物对苜蓿ABA含量及相关合成基因表达的影响最明显,玉米最弱。在ABA合成过程中,香豆素作用下基因NCED起主要作用,咖啡酸和混合物作用下均是基因NCED和ZEP共同发挥正向促进作用。


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