论文部分内容阅读
干旱作为最重要的非生物胁迫因子之一,严重地影响着作物的生长和发育。据统计,目前全球干旱、半干旱地区约占总耕地面积的43%,因此,大多数的国家都面临着水资源匮乏的危机,而我国更不例外。小麦作为最重要的粮食作物之一,在全世界范围内大约有35%以上的人将小麦作为主要的口粮,并且随着人口的增多,对于小麦的需求量也在进一步的增加。然而,我国的小麦主要分布在干旱和半干旱地区,每年由于水分亏缺而造成的小麦减产,可能比其它因素所导致的产量损失的总和还要多,因此,深入研究小麦的抗旱机制至关重要。mi RNA已知在植物生长、发育和逆境胁迫中起着重要的调控作用。植物在遭受干旱胁迫后,能够诱导或抑制一些mi RNAs的表达,并产生一系列形态、生理和生化等方面的变化,从而表现出与干旱相对应的综合性状。因此,从作物本身出发,深入研究其抗旱机制,并揭示其抗旱特性,对于提高作物的抗旱能力具有重要的意义。因此,本文在室内水培条件下,通过选用两个抗旱性不同的小麦品种(抗旱性较强的旱选10号;干旱敏感品种郑引1号),系统研究了水分胁迫后,不同基因型小麦形态、生理、细胞等方面的变化及由mi RNAs介导的干旱防御机制。主要研究结果如下:1.水分胁迫均可明显影响不同基因型小麦叶片和根系的生长,但与抗旱品种相比,干旱敏感品种表现出更明显的干旱胁迫症状,例如叶片失水萎蔫严重、根系数目和长度减少幅度较大等特点;其次,水分胁迫均可增加不同小麦基因型叶片可溶性蛋白的含量,增强其根系活力;但可降低其叶片的相对含水量,总叶绿素含量及干物质的积累,与抗旱品种相比,干旱敏感品种各指标的下降幅度则更显著。这些结果表明,水分胁迫虽均可影响不同基因型小麦幼苗的生长,但对干旱敏感品种的影响显然大于抗旱品种。2.水分胁迫均可明显增加不同基因型小麦根系和叶片脱落酸(ABA)的含量,减少根系和叶片中赤霉素(GA)的含量;但在不同基因型小麦的根系和叶片中,生长素(IAA)的含量表现为,在抗旱品种中,水分胁迫初期,其IAA含量显著增高,但随着胁迫时间的延长,其IAA的含量又表现出下降的趋势,而干旱敏感品种的IAA含量在胁迫后大部分时间点都显著低于它的对照处理;细胞分裂素(ZR)的含量在不同基因型小麦根和叶中的表现和IAA相似,在水分胁迫初期,抗旱品种中略微增高,但之后随着胁迫时间的延长又迅速下降,而干旱敏感品种中ZR的含量在胁迫后所有时间点都显著低于它的对照处理,并且其下降幅度与抗旱品种相比更大。水分胁迫后,IAA和ZR在不同基因型小麦中的变化不同表明,在水分胁迫初期,抗旱品种可通过IAA和ZR的积累,刺激根系等器官的生长,从而更有利于植株吸收水分,并以此减轻水分胁迫对其的伤害。3.水分胁迫后不同基因型小麦叶片维管组织的细胞分化均发生了明显的变化。在水分胁迫后12h和72h,抗旱品种叶片木质部和韧皮部细胞明显增多;但干旱敏感品种叶片木质部和韧皮部细胞数目则显著减少,尤其到了水分胁迫后72h,其木质部细胞数目下降更为明显。这表明,在水分胁迫过程中,抗旱品种可通过增加叶片木质部和韧皮部细胞的数目,增强其维管组织的发育,从而提高其植株体内的水分输送效率。其次,水分胁迫虽均可诱导不同基因型小麦叶片气孔的关闭,但就关闭程度而言,抗旱品种处于完全关闭状态,而干旱敏感品种的气孔则有细微的缝隙,推测这可能和抗旱品种在胁迫初期根系ABA的快速积累有关。4.水分胁迫可明显增高不同基因型小麦叶片中H2O2、MDA的含量以及O2-的产生速率,但在胁迫后大部分时间点,干旱敏感品种的增高幅度明显大于抗旱品种。其次,在水分胁迫后,不同基因型小麦的SOD、POD和CAT的活性均表现为先升后降的趋势。但在胁迫后72-96h,干旱敏感品种的抗氧化酶活性明显低于抗旱品种。进一步的荧光定量分析表明,在水分胁迫72h后,抗旱品种的Cu/Zn SOD、POD和CAT酶相对表达量均显著高于干旱敏感品种。这些结果表明,不同基因型小麦在耐水分胁迫方面表现的差异或许与其自身的抗氧化特性有关。5.采用高通量测序的方法,构建了四个小麦叶片的small RNA文库(C1—正常供水的旱选10号,T1—水分胁迫的旱选10号;C2—正常供水的郑引1号,T2-水分胁迫的郑引1号)。结果表明,水分胁迫后在不同基因型小麦中共鉴定了367个差异表达的mi RNAs(包括46个保守mi RNAs和321个新型mi RNAs)。通过进一步的比较分析,其中233个mi RNAs在两个小麦基因型中均表现上调表达,而10个mi RNAs则表现下调表达的趋势。有趣的是,在水分胁迫后,13个mi RNAs在两个小麦基因型中表现相反表达的模式;这些mi RNAs仅在抗旱品种中下调表达,而在干旱敏感品种中则表现上调表达的趋势。此外,还有111个mi RNAs在水分胁迫后仅在一个小麦基因型中显著表达。6.采用了q PCR和Northern blot分析和验证了一些代表性的mi RNAs的表达水平,结果表明,大部分mi RNAs的表达水平和高通量测序结果保持一致。此外,基于生物信息学的方法,预测了所有差异表达mi RNAs的靶基因,并对其进行了功能注释。差异表达mi RNAs的靶基因的生物学功能涉及响应胁迫、新陈代谢、调控转录、生长发育、信号转导等功能。进一步采用q PCR的方法,验证了代表性12个靶基因的表达模式,结果表明,这些靶基因与其对应的mi RNAs的表达水平呈负相关,并推测这些差异表达mi RNAs或许通过调节它们靶基因的表达直接或间接地参与小麦的耐水分胁迫机制。7.结合水分胁迫后不同基因型小麦的表型、生理及细胞的变化,分析了相关mi RNAs和其对应的靶基因与这些形态生理指标的关系,并讨论了水分胁迫后小麦幼苗可能存在的由mi RNAs介导的干旱防御机制。