植调剂/植物激素介导植物生长发育及盐胁迫响应的机制研究

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“小分子、大功能”的植物激素是精细调控植物生长发育的重要内源因子。不同植物激素具有不同的生理学功能,它们共同形成一个庞大的网络,精准地调控植物生长发育的每一个阶段。植物生长调节剂作为人工合成的、具有与植物激素相似功能的物质,已广泛应用于农业生产。其中,褐藻胶寡糖、壳寡糖、冠菌素作为三种新型植物生长调节剂,化学成分已知、安全,具有巨大的推广潜力。大豆原产于东亚,是全球重要的粮油饲兼用作物。由于我国在种质资源收集、品种选育、转基因等领域的研究起步较晚,加之种植面积下降、生产成本提升等因素,导致大豆供需矛盾突出,严重依赖进口。尽管近年来大力推行大豆间套作等栽培模式,提高了大豆种植面积;但由于大豆缺口过大,仍需要寻求更多的丰产技术手段,以提高大豆总产量,保障国家粮油安全。作为具有全球影响的重要非生物逆境胁迫之一,盐胁迫抑制种子萌发、幼苗建成、营养生长及生殖生长等几乎所有发育过程。在过去的研究中,科学家们深入地研究了植物响应盐胁迫的生理变化及信号通路。值得注意的是,盐胁迫与ABA均能够诱导活性氧的产生,且ABA信号转录因子ABI4能够诱导盐胁迫下活性氧的产生。那么,这两个生物学过程之间是否存在着关联?ABI4又是通过哪个活性氧合成基因,诱导盐胁迫下活性氧的产生、进而调控种子萌发?这些问题都值得我们进一步探究。本文以重要粮油作物大豆和模式植物拟南芥为实验材料,通过植物生理学、农艺学、遗传学、分子生物学和生物化学等手段,探究了以新型植物生长调节剂褐藻胶寡糖、壳寡糖和冠菌素进行大豆种子拌种,对田间出苗的影响;以及生殖生长早期对大豆叶面喷施三种植物生长调节剂水溶液,对大豆籽粒中糖含量、农艺性状、产量性状及收获大豆品质性状的影响。并揭示了ABI4介导活性氧的产生,进而抑制盐胁迫下种子萌发的分子机制。现将主要研究结果总结如下:(1)三种植调剂(褐藻胶寡糖、壳寡糖和冠菌素)对大豆种子进行拌种,均能够提高大豆田间出苗率,褐藻胶寡糖、壳寡糖、冠菌素拌种的推荐使用量分别为每公斤大豆种子使用100 m L植调剂水溶液拌种,浓度分别为25 mg·L-1、100 mg·L-1和0.05 mg·L-1。其中,各最适浓度下,褐藻胶寡糖拌种促进大豆田间出苗最为明显。叶面喷施三种植调剂能够显著提高大豆株高、极显著提高大豆茎粗、百粒重,提升大豆抗倒伏能力及产量;影响大豆分枝数,其中褐藻胶寡糖促进大豆分枝,壳寡糖抑制大豆分枝,低浓度冠菌素促进大豆分枝而高浓度无影响;大豆粗蛋白含量在统计学水平发生显著提高,粗脂肪含量发生显著降低,但变化幅度较小,对实际生产影响不大。叶面喷施植调剂不影响收获后大豆种子的萌发。褐藻胶寡糖,壳寡糖,冠菌素三种植调剂进行叶面喷施的每公顷推荐使用量为50g、50 g和0.01 g。各植调剂叶面喷施的最佳用量相比较,褐藻胶寡糖对增产作用最为明显。综合比较三种植调剂对大豆田间出苗及产量的影响,褐藻胶寡糖为最佳。(2)盐胁迫下,ABI4通过直接结合RbohD的启动子,促进其转录,通过调控活性氧(ROS)的合成进而调控盐胁迫下种子的萌发。abi4和rbohd两种突变体在种子萌发及萌发后均表现出对盐胁迫不敏感的表型。盐胁迫处理诱导的RbohD基因表达依赖于ABI4,进一步生物化学分析也表明ABI4直接与RbohD启动子区互作,并于种子吸胀期间促进活性氧的产生,导致细胞损伤,最终抑制盐胁迫下的种子萌发。同样,遗传及生理证据表明,RbohD的缺失在很大程度上回复了种子吸涨过程中OE-ABI4(ABI4过表达)种子的盐敏感表型;且rbohd能够回复盐胁迫下OE-ABI4种子中过氧化氢及超氧阴离子两种活性氧的大量产生,最终回复盐胁迫下OE-ABI4种子活力低的表型。因此,ABI4正调控ROS的合成,进一步降低细胞膜完整性和种子活力,最终抑制盐胁迫下种子的萌发。综上所述,褐藻胶寡糖、壳寡糖、冠菌素三种植物生长调节剂具有在农业生产中提高大豆产量的潜能;ABI4介导RbohD的表达,进而抑制种子在盐胁迫下的萌发。
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