野生大豆对荫蔽环境的光合生理响应及遗传筛选

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:collinccs
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近年来,玉米—大豆带状套作种植模式在我国迅速推广,该种植模式在玉米不减产或少减产的情况下,保障了大豆的生产,提高了光能利用率和土地当量比,使农民增收和农业增产。但在玉米大豆带状套作模式下,使大豆自幼苗阶段就受到玉米植株的遮荫,导致大豆出现节间过度伸长、株高增加、茎秆变细、易倒伏等现象,对大豆的生长发育及产量造成了严重的威胁。然而,大豆响应荫蔽环境的机理尚不清楚以及耐荫大豆品种的培育力度亟待进一步加大。野生大豆是栽培大豆的近缘物种,由于其多生长在植物相互遮荫的环境中,对光环境要求低,且野生大豆未经人工驯化,其所含抗逆基因资源非常丰富,可作为挖掘耐荫基因的材料。因此,本研究以野生大豆、栽培大豆南豆12和南032-4为试验材料,比较研究了栽培大豆与野生大豆在荫蔽胁迫下的形态特征及光合特性。同时,探讨了赤霉素(GA3)及其合成抑制剂多效唑(PAC)、生长素类物质吲哚-3-乙酸(IAA)及其运输抑制剂2,3,5-三碘苯甲酸(TIBA)、油菜素内酯(24-epiBL)及其合成抑制剂油菜素唑(BRZ)预处理对荫蔽环境下野生大豆幼苗表型的影响。旨在初步探明野生大豆对光环境的响应情况,为后续以野生大豆作为诱变材料进行突变体筛选提供支撑。本研究还利用EMS诱变及60Co-γ射线辐照诱变两种方法对野生大豆进行诱变,初步筛选到了一些具有表型变异的突变体,为挖掘抗逆相关新基因研究提供了实验材料,也为培育耐荫大豆品种及大豆响应荫蔽环境的机理奠定了理论基础。主要结果如下:1.野生大豆与栽培大豆在荫蔽胁迫下的形态特征及光合生理特性与白光相比,荫蔽环境生长的三种大豆植株的株高均显著增加,但野生大豆株高的增幅大于两个栽培大豆。表明从株高变化来看,野生大豆比栽培大豆对荫蔽环境更加敏感;荫蔽处理下,两个栽培大豆叶面积均有不同程度的下降,而野生大豆叶面积下降不明显,这可能是由于野生大豆叶面积本身小,导致其与正常光照下生长的野生大豆叶面积差异不显著;野生大豆的最大光化学效率、电子传递效率、非光化学淬灭系数和实际光化学效率与不耐荫品种南032-4保持一致的变化趋势,两者的光合机构所受荫蔽胁迫较大,而强耐荫品种南豆12的电子传递效率、非光化学猝灭系数和实际光化学效率几乎没有变化,最大光化学效率上升,表明南豆12的光合机构受荫蔽胁迫影响最小。野生大豆光合色素含量的降幅大于栽培大豆,其所受荫蔽胁迫更严重。2.激素及抑制剂预处理对野生大豆避荫反应的影响(1)IAA及TIBA对野生大豆幼苗避荫反应的影响在白光环境下,1μM IAA预处理可以显著提高野生大豆幼苗的株高;在荫蔽环境下,1μM IAA预处理对株高没有影响。与对照相比,TIBA预处理对白光下野生大豆的株高没有显著影响,明显抑制荫蔽环境下株高的增加。无论在白光还是荫蔽下,IAA预处理都可以提升野生大豆叶片的光合效率和热耗散能力,而对叶绿素含量、光系统PSII实际光化学效率、光合电子传递速率都没有显著影响。这表明从株高变化来看,IAA预处理对野生大豆的避荫反应没有明显影响,其IAA运输抑制剂TIBA预处理减弱了野生大豆的避荫反应;从光合生理指标变化来看,IAA预处理可提高荫蔽下野生大豆的光合能力,使光合机构免遭破坏。(2)24-epiBL及BRZ对野生大豆幼苗避荫反应的影响与对照相比,24-epiBL对两种光环境下的株高具有明显的促进作用;而BRZ预处理对白光环境下的株高没有影响,对荫蔽环境下的株高有显著的抑制作用。无论在白光还是荫蔽环境下,24-epiBL预处理都可以提升野生大豆叶片的光合能力和热耗散能力。对野生大豆幼苗进行24-epiBL预处理后,其叶绿素a含量在荫蔽环境中显著升高,白光下没有明显变化;叶绿素b含量在白光下显著升高,在荫蔽环境中没有明显变化;类胡萝卜素含量在荫蔽环境中没有明显变化,在白光下显著降低;Chla/b比值在白光环境中显著下降,在荫蔽环境中没有明显变化。这表明从株高变化来看,24-epiBL预处理可显著增强野生大豆对荫蔽环境的敏感性,BR合成抑制剂BRZ预处理可减弱野生大豆对荫蔽环境的敏感性;从光合生理方面可得出,24-epiBL预处理对荫蔽下野生大豆的光合能力有一定的促进作用。(3)GA3及PAC对野生大豆幼苗避荫反应的影响与对照相比,GA3对两种光环境下的株高具有明显的促进作用;而PAC预处理对白光环境下的株高没有影响,对荫蔽环境下的株高有显著的抑制作用。在白光环境中,GA3预处理提高了光合电子传递速率、热耗散能力、光合效率和光系统II实际光化学效率;在荫蔽环境中,GA3预处理破坏了光合电子传递过程,且降低了其热耗散能力、光合效率和电子传递速率。GA3预处理对白光下植物光合色素含量的影响较大,其中SPAD、叶绿素a含量、叶绿素b含量及类胡萝卜素均显著降低;PAC预处理均可加深白光和荫蔽下野生大豆的叶片绿色,且对植物光合色素含量的影响较大,其中SPAD、叶绿素a含量、叶绿素b含量及类胡萝卜素均显著上升。这表明从株高及光合生理变化来看,GA3预处理可使野生大豆对荫蔽环境的敏感性增强,其相应的合成抑制剂PAC预处理可减弱野生大豆对荫蔽环境的敏感性。基因表达分析表明,PAC处理能够上调荫蔽下野生大豆光合色素合成及光合电子传递相关基因GsCAO、GsPSAE1、GsPSAG的表达量。由此表明,PAC预处理可加深荫蔽下野生大豆的叶片颜色及光合色素含量上升主要是通过光合色素生物合成相关基因的上调表达来实现。3.野生大豆突变体的筛选选用剂量为200 Gy的60Co-γ射线辐照诱变野生大豆5 h,其M1代的出苗率和存活率分别为63.4%和43.8%,经M2代初步筛选了194份有变异表型的突变体。EMS诱变实验确定了1%EMS(Ethyl methane sulfonate,甲基磺酸乙酯)处理20 h为野生大豆最佳EMS诱变条件,其M1代出苗率和存活率分别为64.2%和30%,经M1代初步筛选到了71份有变异表型的突变体。其中,突变株系M2-31-1及M2-2-1作为对荫蔽环境敏感性较弱候选材料。综上,本文通过比较野生大豆和栽培大豆对荫蔽环境的敏感性差异可知,野生大豆对荫蔽的敏感性要高于栽培大豆。同时,还通过激素及抑制剂预处理对野生大豆的避荫反应的影响,进一步验证野生大豆对荫蔽环境敏感性较强。以上研究内容为后续大豆突变体筛选工作中诱变材料的选择提供了理论支撑。最后,筛选出合适的EMS诱变处理组合并获得一些性状变异突变体,为大豆新基因的挖掘及改变植物对光环境的响应提供基础材料。
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