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干旱胁迫及复水过程中转Cu/Zn SOD和APX基因甘薯生理生化响应机制研究

作　者: 陆燕元
导　师: 邓西平
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 植物学
关键词: 转基因甘薯干旱胁迫及复水抗氧化系统水分传导
分类号: S531
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

甘薯淀粉含量高,增产潜力大,是世界第七大粮食作物,也是重要饲料和能源作物,对解决粮食短缺和能源危机具有重要意义。日益严峻的全球性的水分亏缺严重限制了甘薯的生长和产量。提高作物的抗逆性,实现有限水资源的高效利用和作物丰产成为了目前农业生产研究的热点和难点。因此,阐明干旱缺水条件下甘薯的生理生化适应机制,并通过基因工程手段培育耐旱新品种或对现有品种进行遗传改良,对增大粮食供给、提高甘薯的丰产潜力具有重要的理论和实践意义。基于此,本研究以转铜锌超氧化物歧化酶(Cu/Zn SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)基因甘薯(TS)和未转基因甘薯(NS)为试验材料,通过室内聚乙二醇(PEG 6000)介导的干旱胁迫处理试验,研究在不同程度的干旱及复水条件下转基因和未转基因甘薯光合系统参数、抗氧化防御系统以及根系水力导度的协同响应机制。随后,以室外盆栽控水的方式,进一步研究干旱及复水条件对甘薯生长、产量、收获指数以及水分利用效率的影响。主要研究结果如下:1、PEG介导的水分胁迫条件下,甘薯叶片的叶绿素含量(Chl)、光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)以及PSII最大光化学量子产量(Fv/Fm)均明显降低,且随胁迫时间的延长而持续降低。在水分胁迫初期的0-24 h期间,甘薯光合下降的主要原因是气孔导度下降导致的气孔限制,24 h后,非气孔限制成为主要影响因子。转基因甘薯叶片的Pn、Tr、Gs在各个胁迫处理中均比未转基因植株下降的幅度小,特别是在胁迫初期与未转基因植株之间差异显著。12和24 h胁迫后复水后,转基因和未转基因甘薯叶片的Pn、Tr、Gs值随复水时间的延长而持续升高,到复水后期(72 h),转基因植株基本能恢复到与对照无明显差异的(P>0.05)水平,而未转基因的恢复能力较弱。48和72 h胁迫后复水,各项光合参数回升缓慢,转基因和未转基因甘薯之间差异也不显著。说明转入的抗氧化酶基因在一定的干旱胁迫程度内不仅增强转基因甘薯在水分胁迫处理下叶片的光合能力,而且有效提高了其在复水过程中的修复能力。2、水分胁迫条件下转基因甘薯叶片质膜受伤害程度轻于未转基因植株,MDA含量、相对质膜透性和超氧阴离子含量提高的幅度明显低于未转基因植株;复水之后转基因植株叶片MDA和相对质膜透性也比未转基因植株下降较快,表明转入抗氧化酶基因不但提高了转基因植株忍耐氧化胁迫的能力,同时也增强了其修复能力。在水分胁迫下,甘薯叶片SOD和APX活性提高的幅度较大,而CAT活性则被抑制,复水后,SOD和APX活性呈现升高后降再升高的双峰变化趋势,CAT则呈缓慢回升的单峰趋势。在胁迫及复水过程中,转基因甘薯抗氧化酶活性均显著高于未转基因植株。说明转基因甘薯可能是通过显著增强这SOD和APX两个酶的活性,提高了其对水分胁迫的忍耐能力和修复作用。此外,当甘薯遭受的水分胁迫24 h或更长时诱导了甘薯“胁迫蛋白”的表达,可溶性蛋白含量提高,转基因甘薯的可溶性蛋白含量高于未转基因植株。可溶性蛋白可参与细胞渗透势的调节,对代谢酶和膜系统其保护作用,提高了甘薯对水分胁迫的抗性。3、通过对水分胁迫下甘薯幼苗根系导水性和抗氧化酶系统的研究表明,水分胁迫显著影响了甘薯幼苗根系的代谢活动,降低了根系的吸水能力。在水分胁迫初期,转基因甘薯导水率下降幅度显著低于为未基因植株,但水分胁迫持续48和72 h后,TS和NS根系水导均下降至近似于零。这可能是由于转入抗氧化酶基因通过显著增强抗氧化酶SOD、APX和CAT在水分胁迫条件下的表达,尤其是SOD、APX酶活性,以及提高了渗透调节物质的含量(可溶性蛋白含量),减轻了转基因幼苗植株在一定水分胁迫程度受到的氧化胁迫伤害,有效保护了根系的生理功能,使转基因甘薯根系吸水能力高于未转基因植株,复水之后也能够很快的恢复。但在严重的水分胁迫条件下,根系结构及功能受损严重,TS和NS根系导水率均近似于零,复水后也很难恢复。4、采用盆栽控水的方式,进一步研究转基因和未转基因甘薯在自然干旱条件下的形态及生理生化响应。与室内试验结果类似,土壤干旱处理使甘薯叶片的质膜受损,且受损程度与干旱胁迫程度成正比,但各水分胁迫条件下TS质膜受伤害程度均轻于NS。甘薯叶片SOD、APX和CAT抗氧化酶的变化也与室内结果类似,均在在土壤干旱处理下都有显著的升高,但随干旱程度加剧及复水进程,各抗氧化酶变化趋势不尽一致:SOD酶活性是随干旱程度的加大而进一步升高的,而APX和CAT在严重干旱条件下反而受到了抑制。复水之后,受到抑制的酶活性先升高,然后随复水时间的延长而逐渐降低,而SOD复水后呈逐渐降低的趋势。而且,抗氧化酶的活性在不同的干旱胁迫程度及复水下均高于未转基因植株。在土壤干旱条件下,甘薯主茎长度、分枝数的减少,但转基因甘薯主茎长度、分枝数以及绿叶数等均高于未转基因植株,说明前者可以减轻干旱胁迫对其造成的伤害,维持内在生理代谢活动的稳定,从而使植株生长受到的限制较轻。5、正常的灌水条件下转基因和未转基因甘薯的生物量及薯块产量均无明显差异。中度及重度干旱胁迫处理分别使转基因甘薯的地上生物量、总生物量分别降低了30.0和38.9%,而未转基因植株则分别降了38.2和47.8%,但TS和NS差异不显著,而两个干旱胁迫程度下TS根系生物量的增加幅度显著高于未转基因植株。干旱处理显著降低甘薯的薯块产量,在严重干旱处理下,甚至有部分植株根系不能膨大形成薯块,这可能是由于甘薯在干旱处理下把更多的光合产物分配转运至根系和冠部等原因。一定程度的干旱促进了甘薯水分利用效率的提高,但过于严重的干旱,则会降低WUE。转基因甘薯在生物水分利用效率上优于未转基因植株,但在产量水分利用效率上没有表现出优势。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-16
第一章文献综述  16-41
  1.1 甘薯在经济和生态环境建设中的作用  18-19
    1.1.1 甘薯的栽培  18
    1.1.2 甘薯的营养价值及保健功能  18
    1.1.3 甘薯的生物能源价值  18-19
    1.1.4 甘薯的生态功能  19
  1.2 植物对干旱胁迫生理生态响应机制  19-28
    1.2.1 干旱胁迫对植物的伤害  19-23
    1.2.2 植物对干旱胁迫的适应机制  23-28
  1.3 作物对旱后复水的响应及补偿机制  28-30
    1.3.1 干旱的滞后效应  28-29
    1.3.2 作物的旱后补偿机制  29-30
  1.4 植物抗旱基因工程研究进展  30-37
    1.4.1 渗透调节  31-33
    1.4.2 LEA 蛋白  33-34
    1.4.3 水通道蛋白（AQP）  34
    1.4.4 抗氧化清除酶基因  34-37
  1.5 抗逆性转基因甘薯的研究进展  37-38
  1.6 抗旱转基因植物在荒漠化及边缘地带的应用  38-39
  1.7 目前研究存在的问题  39
  1.8 研究的目的、技术路线及意义  39-41
第二章 PEG 胁迫及复水对甘薯幼苗叶片光合系统的影响  41-52
  2.1 材料与方法  41-43
    2.1.1 供试材料  41-42
    2.1.2 试验设计  42
    2.1.3 测定指标及方法  42-43
    2.1.4 数据统计分析方法  43
  2.2 结果与分析  43-49
    2.2.1 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯幼苗叶绿素相对含量的影响  43-44
    2.2.2 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯幼苗叶片净光合速率的影响  44-45
    2.2.3 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯幼苗叶片胞间 C02 浓度的影响  45-46
    2.2.4 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯幼苗叶片气孔导度的影响  46-47
    2.2.5 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯幼苗叶片蒸腾速率(Tr)的影响  47-48
    2.2.6 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片光化学效率(Fv/Fm)的影响  48-49
  2.3 讨论  49-51
  2.4 本章小结  51-52
第三章 PEG 胁迫及复水对甘薯幼苗叶片抗氧化酶系统的影响  52-66
  3.1 材料与方法  53-55
    3.1.1 供试材料  53
    3.1.2 试验设计  53
    3.1.3 取样方法  53-55
  3.2 结果与分析  55-63
    3.2.1 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片相对含水量的影响  55-56
    3.2.2 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片MDA 含量的影响  56-57
    3.2.3 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片相对膜透性的影响  57
    3.2.4 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片 O2-˙含量的影响  57-59
    3.2.5 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片SOD 活性的影响  59-60
    3.2.6 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片APX 活性的影响  60-61
    3.2.7 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片CAT 活性的影响  61-62
    3.2.8 水分胁迫时间及复水对转基因与未转基因甘薯叶片可溶性蛋白含量的影响  62-63
  3.3 讨论  63-65
  3.4 本章小结  65-66
第四章 PEG 胁迫及复水对甘薯幼苗根系抗氧化酶系统及水力导度（Lpr）的影响  66-77
  4.1 材料与方法  67-68
    4.1.1 供试材料  67
    4.1.2 试验设计  67
    4.1.3 取样方法  67
    4.1.4 测定项目  67-68
  4.2 结果与分析  68-74
    4.2.1 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系 02-.含量的影响  68-69
    4.2.2 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系SOD 活性的影响  69-70
    4.2.3 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系APX 活性的影响  70-71
    4.2.4 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系CAT 活性的影响  71-72
    4.2.5 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系可溶性蛋白含量的影响  72-73
    4.2.6 水分胁迫时间及复水对转基因和未转基因甘薯根系水力学导度的影响  73-74
  4.3 讨论  74-76
  4.4 本章小结  76-77
第五章土壤干旱对甘薯生长、抗氧化酶保护系统的影响  77-89
  5.1 材料与方法  77-78
    5.1.1 供试材料  77
    5.1.2 试验设计  77-78
    5.1.3 取样方法  78
    5.1.4 测定项目  78
  5.2 结果与分析  78-87
    5.2.1 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯生长的影响  78-79
    5.2.2 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片相对含水量的影响  79-80
    5.2.3 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片水势的影响  80-81
    5.2.4 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片质膜相对透性和丙二醛含量的影响  81-82
    5.2.5 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片抗氧化酶活性的影响  82-85
    5.2.6 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片叶绿素相对含量的影响  85-86
    5.2.7 土壤干旱对转基因和未转基因甘薯叶片 Fv/Fm 的影响  86-87
  5.3 讨论  87-88
  5.4 本章小结  88-89
第六章土壤干旱对甘薯产量、收获指数和水分利用效率的影响  89-97
  6.1 材料与方法  89-90
    6.1.1 供试材料  89
    6.1.2 试验设计  89
    6.1.3 测定项目及方法  89-90
  6.2 结果与分析  90-94
    6.2.1 土壤干旱对甘薯生物量形成的影响  90-91
    6.2.2 土壤干旱对甘薯产量及收获指数的影响  91-93
    6.2.3 土壤干旱对甘薯耗水量以及水分利用效率的影响  93-94
  6.3 讨论  94-95
  6.4 本章小结  95-97
第七章主要研究结果与创新点  97-100
  7.1 主要研究结果  97-99
    7.1.1 PEG 模拟水分胁迫及复水下甘薯幼苗光合系统的响应  97
    7.1.2 PEG 模拟水分胁迫及复水下甘薯幼苗抗氧化酶保护系统的响应  97-98
    7.1.3 PEG 胁迫及复水下甘薯幼苗根系抗氧化酶系统及水力学导度（Lpr）的响应  98
    7.1.4 土壤干旱及复水下甘薯生长形态、抗氧化酶保护系统的响应  98
    7.1.5 土壤干旱及复水下甘薯产量、收获指数和水分利用效率的响应  98-99
  7.2 本论文的创新点  99
  7.3 进一步的研究设想  99-100
参考文献  100-116
附录  116-117
综述  117-130
  参考文献  128-130
缩略词  130-131
致谢  131-132
作者简介  132
在学期间参加的培训及主要学术会议  132

干旱胁迫及复水过程中转Cu/Zn SOD和APX基因甘薯生理生化响应机制研究

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