高粱耐盐品种筛选及耐盐机制研究

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盐胁迫是严重影响植物生长,导致农作物减产的主要非生物因子之一。目前全球耕地盐渍化程度日趋严重,对农作物的生产已构成较大威胁。高粱是世界和我国的主要粮食作物、饲料作物和有潜力的能源作物之一,研究高粱的耐盐性对农业发展具有很大的现实意义。本研究于2009-2012年在沈阳农业大学农学院实验室进行,采用人工气候箱内水培方法,对42个高粱杂交种的耐盐性进行鉴定,按耐盐性强弱进行分类;以筛选出的耐盐品种(辽杂15)和盐敏感品种(龙杂11)为试验材料,分析了盐胁迫对两个高粱品种的光合作用和叶绿素荧光特性、渗透调节物质和离子含量、抗氧化系统的影响;研究了外源ABA对高粱的萌发特性和生长特性的影响,测定了盐胁迫下高粱幼苗ABA调节基因的表达,明确了高粱的耐盐机制和分子基础,为高粱耐盐品种的选育和盐碱地的开发利用提高理论依据。主要研究结果如下:1、150mmol L-1NaCl可作为高粱萌发期耐盐性鉴定的适宜盐浓度。根长、叶重和发芽率分别在根部、叶部和萌发因子中的负荷量最大,可作为萌发期高粱耐盐性筛选的主要鉴定指标。通过主成分分析对高粱品种进行耐盐性排序,并通过聚类分析将高粱品种按耐盐性强弱分为5大类:辽杂15等5个品种为高度耐盐品种,沈试104等14个品种为耐盐品种,敖杂1等12个品种为中等耐盐品种,铁杂17等8个品种为盐敏感品种,龙杂10等3个品种为高度盐敏感品种。2、低浓度NaC(l50mmol L-1)胁迫可以增加叶绿素含量,但是高浓度NaC(l100-200mmol L-1)胁迫明显降低叶绿素含量。盐胁迫使净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、最大荧光(Fm)、Fv/Fo、Fv/Fm、Fv’/Fm’、光化学猝灭系数(qP)下降,初始荧光(Fo)和非光化学猝灭系数(NPQ)提高。低浓度盐胁迫(50mmol L-1NaCl)使胞间CO2浓度(Ci)降低,高浓度则相反。辽杂15受盐胁迫的影响程度小于龙杂11,表现出较好的耐盐性。50mmol L-1浓度的低盐胁迫对高粱幼苗的影响不明显,光合速率下降的主要原因是气孔限制;100-200mmol L-1浓度的高盐胁迫对高粱幼苗有很大影响,引起光合速率下降的主要原因是非气孔限制。盐胁迫下,耐盐品种能有效保护内部的光合机构,增强对盐胁迫的适应性。3、在盐胁迫下,两高粱品种叶片的脯氨酸、可溶性糖、还原糖、可溶性蛋白、游离氨基酸含量和质膜透性均有所增加,两品种的根系活力均有所下降。其中耐盐品种辽杂15在盐胁迫下叶片的脯氨酸、可溶性糖、还原糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量增加的幅度大于盐敏感品种龙杂11,叶片质膜透性增加的幅度小于龙杂11,根系活力下降的幅度小于龙杂11,辽杂15在盐胁迫下表现出较好的渗透调节能力,耐盐性较强。盐胁迫使两高粱品种的Na+含量均有所增加,根部的Na+含量明显高于叶片,说明根部具有较好的储钠能力,以减少Na+向叶片的运输。在盐胁迫下,辽杂15根部的Na+含量增加幅度大于龙杂11,而叶片的Na+含量增加幅度小于龙杂11,辽杂15表现出较好的对Na+的选择吸收能力。盐胁迫下,两高粱品种叶片和根部的K+含量、Ca2+含量、K+/Na+和Ca2+/Na+均有所减少,耐盐品种辽杂15减少幅度小于盐敏感品种龙杂11。说明在盐胁迫下,辽杂15对离子的选择吸收能力好于龙杂11,表现出较好的耐盐性。4、在盐胁迫下,高粱幼苗的O-2和MDA含量有所增加,并且增加的幅度随着NaCl浓度的增加而增大。与盐敏感品种龙杂11相比,耐盐品种辽杂15的O-2和MDA含量均低于龙杂11,并且受到盐胁迫后增幅较小,说明其具有较强的O-2清除能力,避免了活性氧的过量积累,细胞膜脂过氧化程度维持在较低水平,表现出较好的耐盐性。高粱幼苗受到盐胁迫后,SOD、POD、CAT和APX活性均有所提高,并且提高的幅度随着NaCl浓度的增加而增大。盐胁迫下,耐盐品种辽杂15SOD、POD、CAT和APX活性的增幅较大,表明其在盐胁迫下,能够维持较高的抗氧化能力以及能够比较及时地清除过量的活性氧,降低对膜脂的伤害,具有良好的耐盐性。5、外源ABA处理下,两高粱品种的发芽率、叶长、根长、叶干重和根干重均有所减小,且减小幅度随着ABA浓度的增加而增大,耐盐品种辽杂15各指标的减小幅度均小于龙杂11,说明高粱品种对盐胁迫和对外源ABA的耐受性相一致。在盐胁迫下,两高粱品种叶片和根部的ABA含量均是随着胁迫时间的增加,ABA含量先升高后降低,两品种在NaCl处理3h时ABA含量都开始升高,峰值均出现在NaCl处理6h时,随后有所降低。相对于盐敏感品种龙杂11来说,耐盐品种辽杂15的ABA含量较低,受盐胁迫的影响较小,并且受盐胁迫作用的时间较短。通过分析盐胁迫下两高粱品种ABA调节相关基因(SbABI1、SbABI3、SbABI4、SbABI5和SbRAB28)的表达,可以看出SbABI1受盐胁迫诱导后表达量明显上升,两品种变化趋势比较相似;SbABI3和SbABI4受盐胁迫后表达量明显下降,并未受盐胁迫诱导;两品种叶片的SbABI5和SbRAB28在盐胁迫下表达量变化不明显,但根部SbABI5和SbRAB28表达差异较大,辽杂15根部的SbABI5和SbRAB28表达量增加幅度较大,而龙杂11变化不明显,说明ABI5很有可能是高粱耐盐基因SbABIs家族的最关键基因。通过对盐胁迫下拟南芥AtABIs的表达,进一步证实了根部ABI5的表达可能是ABA信号转导的关键步骤,可以增强高粱的耐盐性。通过测定外源ABA处理下两高粱根部SbABI5的表达量可知,低浓度(20μmol L-1)ABA处理下,两品种根部的SbABI5表达明显增强,而高浓度(100μmol L-1)ABA处理下,两品种根部的SbABI5表达并无明显变化。这一结果证明了高浓度的ABA含量会抑制SbABI5表达的增加。
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