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小黑麦籽粒灌浆过程中淀粉生物合成和胚乳细胞程序性死亡的研究

李春艳

  小黑麦(×Triticosecale Wittmack)是由小麦(Triticum spp.)和黑麦(Secale cereale)经过属间杂交,应用杂种染色体加倍和染色体工程育种方法人工培育的第一个新物种,作为一种新型的具有优良产量潜力和较强适应性的新作物,特别是利用其籽粒产量高、淀粉含量丰富的特点,已作为淀粉工业化利用的平台之一。而目前有关小黑麦淀粉的系统研究尚未见公开报道。本研究以六倍体小黑麦为实验材料,对其淀粉粒特性及籽粒发育过程中淀粉合成特性、淀粉合成相关酶基因表达动态、胚乳细胞程序性死亡(Programmed Cell Death, PCD)及相关内源激素的变化等进行系统研究,旨在为深入了解小黑麦淀粉生物合成机理与遗传改良提供理论基础。 1、应用扫描电镜观察小黑麦淀粉粒在籽粒灌浆、种子萌发和酶处理过程中的形态变化,比较了小黑麦与小麦、黑麦等谷物淀粉粒之间的差异。结果表明,种皮是小黑麦籽粒灌浆早期淀粉粒积累的主要场所。从花后6d,胚乳中淀粉粒的数量和直径均开始迅速增加,花后18d胚乳淀粉粒粒度分布已接近成熟籽粒的水平。小黑麦种子萌发4d以前淀粉粒降解很慢,萌发9d以后胚乳中的淀粉粒几乎被完全降解。小黑麦总淀粉粒的酶解效率和大淀粉粒含量呈正相关。小黑麦淀粉粒表面的赤道凹槽和小孔部分均更容易被酶降解。小黑麦籽粒淀粉含量及其组分在品种间差异较大,大、小淀粉粒呈双向分布,淀粉粒粒度分布介于其亲本小麦和黑麦之间。淀粉粒平均直径与膨胀势呈负相关(r=-0.66,p≤0.05) 2、小黑麦籽粒发育过程中,单个籽粒重和淀粉积累速率以及淀粉合成关键酶AGPase、SSS、GBSS和SBE活性在整个灌浆期均呈单峰曲线,在籽粒灌浆中后期(花后15-27d)达到最大值。相关性分析表明,单个籽粒中直、支链淀粉的积累与粒重呈极显著正相关,单个籽粒中直、支链淀粉的积累与相关酶活性呈显著或极显著正相关。在小黑麦籽粒不同发育时期,总淀粉粒和分离的大、小淀粉粒中提取的结合蛋白的差异不大,均呈5条主要的谱带,且分子量都大于60 kD。胚乳可溶性蛋白呈现多条谱带,从花后6d到花后30d,各条谱带的浓度都逐渐增加。 3、通过实时定量荧光PCR对小黑麦籽粒胚乳不同发育时期的淀粉合成相关酶基因的相对表达量检测,结果发现,小黑麦胚乳中各淀粉合成关键酶基因表达丰度不同,sbeI平均转录水平最高,其次是gbssⅠ,而gbssⅠI转录水平最低。ssⅠ、ssⅢ和gbssI的转录水平从花后9d到花后30d,变化不显著。gbssⅡ、ssⅡ、sbeⅡa和sbeIIb基因的相对表达量基本呈逐渐下降趋势。从花后6d到花后30d,各基因的平均转录水平在花后24d最高。 4、小黑麦胚乳发育过程伴随着细胞程序性死亡(PCD)的过程,胚乳中细胞核数目在花后18d达到最大值,之后开始逐渐减少。胚乳细胞基因组DNA从花后21d开始出现明显的片断化。籽粒淀粉积累速率、单个籽粒中脱落酸含量在整个籽粒灌浆过程中呈单峰曲线,乙烯的释放速率从花后15d持续下降。动植物PCD抑制因子Defender Against cell Death-I (DAD-I)氨基酸序列之间相似性较高。小黑麦籽粒中淀粉的快速积累时期和胚乳PCD的快速发生时期相重合,胚乳PCD可能影响了胚乳中贮藏淀粉的合成和积累。……   
[关键词]:小黑麦;淀粉粒;淀粉合成酶;基因表达;细胞程序性死亡
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:石河子大学2010年