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盐渍胁迫是影响作物生长发育、降低作物产量的主要非生物逆境胁迫因素之一。盐渍土开发利用最经济有效的途径是挖掘植物种质本身的耐盐性,筛选和培育耐盐品种。红麻(Hibiscus cannabinus L.)是一年生韧皮纤维植物,是重要的麻纺和造纸原料,具有较强的耐盐性,适于轻盐土栽培种植。因此,选育具有较高耐盐性的红麻品种,对进一步加强盐碱地的开发利用具有重要意义。
本研究选用红麻细胞质雄性不育系P3A、保持系P3B、恢复系992及其杂交种(P3A/992)为材料,采用营养液水培的方法,测定4种NaCl处理浓度(0、50、150、200mmol/L NaCl)及短期NaCl胁迫(5d)解除后的幼苗生长、生理生化、光合特性,并对NaCl胁迫下,红麻细胞质雄性不育系P3A处理与对照、保持系P3B处理与对照的蛋白质组差异进行分析。主要研究结果如下:
1、NaCl胁迫条件下,供试材料的生长及生理指标变化:
(1)NaCl胁迫使红麻幼苗生长受到明显抑制,短期(胁迫5d)、轻度NaCl(50mmol/L)胁迫条件下,对4种红麻材料的生物量影响较小;随胁迫强度(150、200mmol/L)的增加和胁迫历时(胁迫10d和15d)的延长,4种红麻材料的幼苗生长和生理代谢均受到显著影响。形态性状表现为株高降低,茎秆变细,根系扩展受到抑制生物量降低,根冠比提高。生理指标表现为相对电导率和可溶性糖含量显著增加,根系活力、叶面积和叶绿素相对含量显著减少;光合指标表现为净光合速率、蒸腾速率、气孔限制值、羧化效率和叶绿素利用效率均显著下降,而细胞间CO2浓度、水分利用率显著升高。不同材料间对NaCl胁迫响应存在明显差异,红麻杂交种的耐盐性表现出较强的中亲优势和超高亲优势,并在一定阈值范围内随着NaCl浓度的提高,其抗性优势表现也进一步增强。在NaCl胁迫条件下,相对电导率和气孔限制值表现为显著低于亲本,说明其受到的伤害较低;而可溶性糖含量、根系活力、叶面积、叶绿素相对含量、净光合速率、蒸腾速率、羧化效率和叶绿素利用效率的表现为显著的中亲优势和超高亲优势,这是红麻杂交种具有耐盐性优势的生理基础。研究还发现短期NaCl胁迫时,红麻幼苗是以气孔限制因素为主造成的净光合速率降低,长期NaCl胁迫时,则以非气孔限制因素为主。这种转变与NaCl浓度相关。
(2)选取与红麻幼苗耐盐性有密切关系的21项指标,并通过简单相关性、主成分分析、灰色关联度分析等统计方法对各性状指标间相互关系进行分析。由简单相关分析可知,在红麻幼苗耐盐性的鉴定指标中,叶绿素利用效率、水分利用率不适宜作为鉴定指标。根据灰色关联分析,可以将各性状指标与单株干重的关联程度分为3类。如不考虑形态性状,在NaCl胁迫条件下,光合性状与单株干重的关联度大于生理性状与单株干重的关联度。NaCl胁迫条件下,首先受影响的是光合作用。这些性状指标可分为3个主成分,其中,在NaC胁迫条件下第1主成分中特征向量最大的是可溶性糖含量,说明作为渗透调节物质的可溶性糖在NaCl胁迫时起十分重要的作用。
2、NaCl胁迫5d后复水处理,供试材料的生长及生理指标变化:
(1)4种红麻供试材料的幼苗在经历不同NaCl浓度(50、150、200mmol/L)胁迫5d后解除NaCl胁迫,在恢复生长过程中,其形态、生理和光合指标均有一定恢复,但恢复补偿效应与NaCl胁迫浓度、前期受伤害程度以及恢复生长天数有关。轻度(50mmol/L)NaCl胁迫后复水,其生长容易恢复,可以产生等量补偿效应;而中度(150mmol/L)和重度(200mmol/L)NaCl胁迫后复水,难以逆转,只能产生部分补偿效应。表现为细根根表面积增多、根冠比减小。红麻杂交种由于胁迫时的伤害较轻,在胁迫解除后恢复生长10d,其恢复能力明显大于双亲(不育系P3A、恢复系992)。在NaCl胁迫解除后恢复生长10d,红麻杂交种的相关生理指标和光合特性表现出较强的杂种优势,这是NaCl胁迫解除后,杂交种能迅速恢复生长的生理基础,是红麻杂交种具有耐盐性优势的生理基础。
(2)在NaCl胁迫解除后恢复生长的过程中,对与红麻幼苗生长有密切关系的21项指标采用简单相关性、主成分、灰色关联度等统计分析方法进行研究。由简单相关分析可知,在短期NaCl胁迫解除后恢复生长中,叶绿素利用效率不适宜作为鉴定指标。灰色系统分析可知,这些指标大致分为3类。如不考虑形态性状,光合性状与单株干重的关联度大于生理性状。由主成分分析可知,红麻幼苗在经历5d NaCl胁迫后恢复生长的过程中,第1主成分大致概括为光合因子;第2、3主成分可大致概括为物质分配因子。在由胁迫环境转换为正常的生长环境之后,最先发生响应的是蒸腾速率(Tr),生理代谢继而发生一系列恢复性调整,进而决定形态建成的恢复。
3、NaCl胁迫条件下,供试材料的蛋白质组差异分析:
(1)比较上述P3A、P3B NaCl处理与对照发现,均表现显著变化的差异蛋白有27个,其中,一致上调有15个,一致下调有11个,还有1个在不育系P3A中上调而在保持系P3B中为下调。27个差异蛋白可以划分为物质代谢、能量代谢、跨膜转运、应激抗氧化、蛋白质修饰加工、细胞骨架、翻译、信号转导、胞壁修饰与功能未知蛋白等10类。其中,涉及物质代谢(5个)的蛋白质变化最明显,占18.52%。
(2)只在红麻不育系P3A NaCl处理与对照表达的差异蛋白,共鉴定出24个,一致上调的有11个,一致下调的有13个。24个差异蛋白可以划分为物质代谢、能量代谢、跨膜转运相关蛋白、应激抗氧化、蛋白质修饰加工、转录调控、细胞骨架、翻译以及功能未知蛋白等9类。其中,涉及蛋白质修饰加工(6个)的蛋白质变化最明显,占25.00%。只在红麻保持系P3B NaCl处理与对照中表达的差异蛋白,鉴定出29个差异蛋白,其中,一致上调的有10个,一致下调的有19个。29个差异蛋白可以划分为物质代谢、能量代谢、跨膜转运、应激抗氧化、蛋白质修饰加工、细胞骨架、DNA复制、翻译以及功能未知蛋白等10类。除未知功能蛋白外,其中,涉及跨膜转运(5个)的蛋白质变化最明显,占17.24%。
由此可知,虽然在不同细胞质(不育系与保持系只存在细胞质差异)来源的材料,其差异蛋白表达的数量相对一致,但上调或下调表达却有所不同,暗示细胞质不同,其耐盐机制存在一定差异。