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耐旱杂草稻对干旱胁迫的生理响应与表达谱分析

丁国华

  干旱胁迫是影响水稻生产的重要非生物胁迫因子之一。杂草稻具有较强的抗非生物胁迫的能力,是栽培稻遗传改良的重要种质资源。本文以收集于中国北方杂草稻为试材,进行芽期耐早性研究及苗期耐旱性鉴定,并以鉴定出的耐旱性1级的杂草稻HEB07-2及杂草稻WR04-6、巴西陆稻、旱敏感品种越富为试材。研究了不同程度干旱胁迫下(20%PEG胁迫0h、5h、24h、72h)不同杂草稻和栽培稻幼苗叶片和根系抗氧化防御系统、渗透调节系统的变化规律。并分析幼苗叶片光合系统在干旱胁迫下的变化,利用Affymetrix水稻表达谱芯片(GeneChip Rice Genome Array)比较不同杂草稻和栽培稻幼苗干旱胁迫下根系基因表达差异状况。主要研究结果如下: 利用15%PEG-6000(聚乙二醇6000)模拟干旱胁迫,对供试杂草稻和栽培稻最终发芽率无显著影响,杂草稻和栽培稻的发芽指数显著降低,即延迟了杂草稻和栽培稻的发芽时间。供试杂草稻和栽培稻的生长速度显著降低,对杂草稻的影响小于栽培稻,表现为正常条件下杂草稻和栽培稻地上和地下部生长量相当,在胁迫条件下杂草稻各生长指标有大于栽培稻的趋势。杂草稻的根长胁迫指数、茎长胁迫指数、根数胁迫指数、根干重胁迫指数、茎干重胁迫指数变异范围较大,而栽培稻变异范围较小。干旱胁迫下杂草稻根冠比呈增大趋势,而栽培稻根冠比降低,说明干旱胁迫对杂草稻根系抑制程度较栽培稻小。 利用苗期反复干旱胁迫法对杂草稻和栽培稻苗期耐早性进行了鉴定,结果表明第一次干旱胁迫对杂草稻和栽培稻的存活率影响较小,而第二次干旱胁迫后杂草稻和栽培稻存活率下降幅度较大,杂草稻变异范围大于栽培稻,苗期反复干旱存活率最大的杂草稻为LYG07-10。干旱胁迫期间,杂草稻叶片抗衰度变异范围大于栽培稻,抗衰度最大的杂草稻为HEB07-2。按苗期抗旱性综合系数划分抗旱级别,杂草稻抗旱性达到1级、3级、5级、7级的数量分别为8、25、15、6份,分别占供试杂草稻材料的12.7%、39.7%、23.8%、9.5%,属于正态分布。即耐旱性极强和极弱的杂草稻较少。 干旱胁迫期间,供试杂草稻和栽培稻叶片和根系丙二醛含量和超氧阴离子自由基产生速率显著上升,HEB07-2叶片和根系丙二醛上升幅度显著小于其他试材,超氧阴离子自由基产生速率最小,显著小于其他供试材料,说明HEB07-2在干旱胁迫下积累活性氧较少,膜质过氧化程度较低,细胞膜较为完整,受伤害程度较小。 各试材在正常条件下抗氧化酶活性相当,巴西陆稻略低,干旱胁迫使杂草稻HEB07-2叶片和根系超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)活性显著上升,非酶抗氧化剂谷胱甘肽和抗坏血酸含量显著增加,而旱敏感品种越富胁迫72h后抗氧化酶活性和抗氧化剂含量均下降,巴西陆稻和WR04-6上升幅度小于HEB07-2,说明干旱胁迫下HEB07-2能够有效清除过量产生的活性氧(ROS),缓解干旱胁迫对生物膜的损伤。 干旱胁迫下,杂草稻HEB07-2叶片和根系渗透调节含量显著增加,而旱敏感品种越富叶片和根系可溶性糖、可溶性蛋白含量先升后降。WR04-6和巴西陆稻渗透调节物质上升幅度均小于HEB07-2。说明HEB07-2在干旱胁迫下通过积累更多渗透调节物质维持细胞水势,从而达到耐旱的目的。本研究通过对干旱胁迫下叶片和根系的ROS积累和抗氧化系统及渗透调节物质变化规律比较发现,叶片对PEG模拟的干旱胁迫更加敏感。 PEG模拟干旱胁迫72h后,旱敏感品种越富总叶绿素含量显著降低,而杂草稻HEB07-2叶绿素含量上升,WR04-6和巴西陆稻总叶绿素含量无显著变化。干旱胁迫期间,供试材料初始荧光(Fo)上升,最大荧光(Fm)下降。旱敏感品种越富上升幅度最大,而HEB07-2的Fo和Fm上升和下降时间较其他试材晚,说明其受伤害时间延后。干旱胁迫使净光合速率、气孔导度下降,旱敏感品种越富下降幅度最大,HEB07-2最小。利用红外热像仪测定群体温度变化发现,越富和WR04-6在干旱胁迫下叶温显著上升,而HEB07-2和巴西陆稻叶温无显著变化。 利用Affymetrix水稻表达谱芯片(GeneChip Rice Genome Array)将极抗旱的杂草稻样本HEB07-2与巴西陆稻样本进行表达谱差异分析,结果表明,杂草稻HEB07-2转录组对于干旱信号的响应程度与方向均与巴西陆稻存在很大差异,HEB07-2以正向调控为主,而巴西陆稻以负调控为主,在差异基因表达的倍数上也体现出了HEB07-2高于巴西陆稻的趋势。通过进一步的GO分析发现,杂草稻与巴西陆稻的三类差异表达基因,即生物过程相关基因、细胞组成相关基因、以及分子功能相关基因,均可以与两者间生理与生活指标的差异相互印证。……   
[关键词]:栽培稻;杂草稻;干旱胁迫;抗氧化系统;表达谱
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:沈阳农业大学2013年