烯效唑缓解大豆淹水胁迫的效应与机制

来源 :黑龙江八一农垦大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:yljin
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如何打破短期积水对大豆的胁迫伤害,是农业科研攻关的重要课题之一。本研究以大豆垦丰14和垦丰16为试验材料,R1期淹水胁迫,叶喷S3307为调控手段,采用盆栽控制试验,平行测定了两品种大豆生物学性状与产量构成、光合作用参数与物质积累、关键保护酶活性与内源激素含量、渗透调节物质含量与糖类含量、大豆籽粒氨基酸含量等生理生化指标,并观测了大豆根部与叶部的超显微结构,综合分析了大豆转录组系列数据,着重研究了S3307对大豆缓解淹水胁迫的调控效应和作用机理。主要结果如下:1.从生产性能看,R1期淹水胁迫降低大豆单株荚数、百粒重、干物质积累量,升高瘪荚率、瘪粒率,叶片容易早衰脱落,根量减少,造成大豆产量显著下降,减产幅度21.95%39.58%。R1期淹水胁迫,叶面喷施S3307与正常供水CK相比,大豆垦丰14与垦丰16产量相近,S3307个别处理组生产性能甚至高于CK。叶面喷施50mg/LS3307可以显著遏制大豆瘪荚率、瘪粒率上升(p<0.01),促进干物质累积,生产性能方面具有明显减损作用。2.从生长发育看,R1期淹水胁迫主要通过降低大豆根系侧根数量,减少根系伤流量,减少植株有效花果数,缩短功能叶片寿命,显著抑制了大豆的生长发育。R1期淹水胁迫,叶面喷施S3307与正常供水CK相比,大豆垦丰14与垦丰16株高均低于CK,但分枝较多,有效花果数较高。S3307调控组两个品种大豆叶片寿命均最长,光合时间最久,叶片持留性最好;根量最多,根系最发达;茎秆木质素、中性洗涤纤维含量最高;叶面喷施50mg/LS3307可以显著提高大豆灌浆能力,利于大豆健康生长,具有缓解淹水胁迫的作用。3.从生理指标看,R1期淹水胁迫,显著降低了大豆叶片气孔导度、叶片净光合速率、SPAD值、光合电子传递速率,造成大豆光合性能显著下降。淹水胁迫后,叶面喷施S3307两个大豆品种叶片净光合速率增加了15.36%48.12%,光合电子传递速率随着光强增加上升最快,呈S型曲线递增。S3307调控组两个品种大豆SPAD值、胞间CO2浓度、气孔导度、叶片蒸腾速率、净光合速率均有淹水+S3307组>CK组>淹水胁迫组的排序规律。叶面喷施50mg/LS3307对大豆减损具有生理保护作用。4.从生化指标看,R1期淹水胁迫,显著降低了大豆体内抗氧化酶活性、大豆叶片相关蛋白质丰度水平低下、三羧酸循环关键酶丰度水平较低、可溶性糖含量下降、激素水平失衡、糖类含量较低。S3307调控组两个品种大豆蔗糖、可溶性糖、果糖、淀粉含量均显著提升(p<0.05),抗氧化酶SOD和POD活性显著升高(p<0.05),MDA含量明显降低,可溶性蛋白和脯氨酸含量增加。叶面喷施50mg/LS3307有利于促进淹水胁迫下大豆三羧酸循环关键酶丰度增加,MDH、IDH、PDH丰度排序依次有W+S>CK>W;促进了GA3、IAA、ABA的应激响应。5.从显微结构看,淹水胁迫大豆根部细胞膜、各种细胞器完整性均不同程度受到破坏,细胞壁变薄,形成层细胞排列不规则,基粒紊乱,多数细胞核降解,线粒体撕裂破碎状增多,细胞器多以残体为主;S3307调控组大豆根部细胞膜完整性、各种细胞器完整性具有良好的保护效应,线粒体、质体,相对规则有序。淹水胁迫大豆叶部叶肉细胞、栅栏组织、细胞膜完整性均不同程度受到破坏,叶绿体类囊体肿胀破损,基粒紊乱,多数细胞核降解,一些线粒体嵴消失,叶绿体内、外膜消失,叶绿体撕裂破碎状增多,细胞内叶绿体、线粒体以残体为主;S3307调控组大豆叶部叶肉细胞、栅栏组织、细胞膜完整性、各种细胞器完整性具有良好的保护效应,叶绿体、线粒体、淀粉粒小而多,规则有序。6.从转录组分析看,垦丰14共有11974个基因受到激素和淹水胁迫影响,上调表达基因5454个,下调表达基因6519个。垦丰16共有9787个基因受到激素和淹水胁迫影响,上调表达基因5102个,下调表达基因4685个。喷施S3307之后,大豆有很多上调表达基因被富集在光合作用通路、脂代谢通路、抗氧化相关代谢途径;并发现丙酮酸激酶更多表达,减少了大豆厌氧代谢的乙醇积累,减轻自毒伤害;苯丙素类和黄酮类合成基因上调表达,抗坏血酸结合能力上调,增强细胞内细胞器修饰与功能运转能力;而在下调基因表达当中,碳代谢、氮代谢和脂质代谢都受到了严重影响,这与生产、生理、生化数据是吻合的。由qPCR分析,大豆不同处理组丙酮酸激酶基因的表达量:淹水+S3307组>正常水分CK>淹水胁迫,S3307对于减少丙酮酸生成乙醇路径具有调控作用;DNA损伤修复途径主要由核苷酸切除修复模式来主导完成;在FC≥2且FDR<0.01范围内高差异性目标表达基因中筛选功能描述与光合作用密切相关基因4个Glyma.15G221300/Glyma.02G104600[垦丰14],Glyma.02G156800/Glyma.01G198100[垦丰16],推测上述4个DEGs是造成提高净光合速率显著差异表达,产生抗逆性的原因所在。综上所述,施用S3307加强了对淹水大豆的定向调控水平,调节大豆良好生长发育,改善大豆生产性能,为大豆抗逆效应稳定表达起到了针对性作用,有效对冲淹水胁迫的危害性,最终实现大豆短期淹水胁迫下的抗逆机制的响应,施用S3307抗逆栽培前景广阔。
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