【摘要】：氮(N)素是植物合成氨基酸、蛋白質、核酸等含N有機物所需的大量元素,在植物的生命活動中發(fā)揮著極其重要的作用。冬春季節(jié),設施內的亞低溫甚至低溫逆境致使作物生長發(fā)育遲緩。由于氮肥增產效果顯著,且成本低,導致氮肥超量使用,引起蔬菜品質下降、資源浪費、土壤退化和環(huán)境污染風險增加等問題。因此減輕亞低溫逆境對農作物的不利影響和減少氮肥使用量,對實現(xiàn)高效農業(yè)和可持續(xù)發(fā)展農業(yè)具有重要意義。本文以黃瓜(Cucumis sativus L.)為材料,研究了黃瓜幼苗生長對根區(qū)亞低溫的響應,并利用生理學、分子生物學和藥理學等技術手段,研究了赤霉素(GA)對根區(qū)亞低溫下黃瓜N吸收和代謝的影響機理。主要研究結果如下:1.研究了根區(qū)亞低溫對黃瓜生長和GA代謝的影響。結果表明,短期根區(qū)亞低溫脅迫降低了黃瓜地上部和地下部的生物量,外源GA3可解除根區(qū)亞低溫對黃瓜的不利影響。根區(qū)亞低溫處理降低了內源GA4的含量。其原因是根區(qū)亞低溫在基因表達水平上影響了GA代謝關鍵酶的活性。GA20氧化酶(GA20ox)和GA3氧化酶(GA3ox)基因的表達水平在根區(qū)亞低溫下表達下調,而GA2氧化酶(GA2ox)基因的表達水平上調。說明根區(qū)亞低溫通過(至少部分通過)調控GA代謝過程,減少活性GA的含量來抑制黃瓜生長。2.研究了GA3對根區(qū)亞低溫下黃瓜根系吸收面積、N吸收速率和N積累量的影響。結果表明,根區(qū)亞低溫顯著減小了黃瓜幼苗的根系面積、15NO3-吸收速率和全株N積累量。GA3緩解了根區(qū)亞低溫對根表面積、15NO3-吸收速率的抑制,使N積累量恢復到根區(qū)適溫處理的水平。3.研究了根區(qū)亞低溫下黃瓜幼苗N代謝酶活性、N代謝物含量的動態(tài)變化與GA3誘導的NRT基因表達和15NO3-吸收速率之間的關系。結果表明,GA3處理后根區(qū)亞低溫下黃瓜的15NO3-吸收速率逐漸增大,CsNRT1基因的表達水平也逐步增多和升高。與此同時,NR、GS和GOGAT等N代謝酶活性及相應編碼基因的表達也逐漸提高,而組織NO3--N含量和總游離氨基酸含量在短時間(4 h)內顯著下降,隨后又逐漸升高。利用N代謝關鍵酶的抑制劑鎢酸鈉、L-蛋氨酸砜亞胺、氮雜絲氨酸和氨氧乙酸分別提高內源NO3-、NH4+、Glu和Gln后,GA3對黃瓜根NO3-吸收的促進作用受到明顯抑制。表明GA通過刺激生長,增強N需求,降低組織N營養(yǎng)水平,解除反饋抑制的間接方式調控根區(qū)亞低溫下黃瓜的NO3-吸收。4.研究了外源GA3對根區(qū)亞低溫下黃瓜葉片N代謝過程能量和碳(C)骨架流向的影響。結果表明:與根區(qū)適溫處理相比,根區(qū)亞低溫使黃瓜幼苗生長受抑,葉片光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光化學活性、光合放氧速率、CO2同化速率(Pn)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性等降低,單株C與N積累量的比值(C/N)升高了2.85%,向N代謝分配的能量減少了29.8%。根施GA處理緩解了根區(qū)亞低溫對黃瓜生長的抑制,使葉片光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光化學活性、光合放氧速率、Pn、PEPCase和SPS活性等都有不同程度地提高,C/N值和N代謝分配的能量恢復至與根區(qū)適溫處理相當?shù)乃健Ｕf明根施GA3可以通過增強光能捕獲和CO2同化能力,調節(jié)N、C代謝平衡,增加向N代謝方向的能量和C骨架供應,促進根區(qū)亞低溫下黃瓜對N的吸收與代謝。
【圖文】：

和天冬酰胺（Asn）可抑制 AtNRT2.1 的表達，但谷氨酰胺（Gln）對其沒有明顯影響（Zhuo 等，1999）。在大麥中，Gln 則對 NRT2 的表達和 HATS 活性具有抑制作用（Vidmar 等，2000）。環(huán)境因子也可影響植物的 NO3--N 吸收。在擬南芥根系中，AtNRT 1.1 和 AtNRT2.1 在照光下（日間）的表達量高而黑暗下（夜間）的表達量低，表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律；但通過外源蔗糖處理，可使夜間的表達水平與日間的表達水平相當（Lejay 等，1999）。這說明，NRT 基因表達的晝夜變化是由于日間和夜間光合產物供應不同所致（Lejay 等，1999）。另外，AtNAR2.1 的表達也受到光照和蔗糖處理的刺激（Krouk 等，2006）。溫度也可影響根系 NO3--N 吸收。研究表明，角豆樹（Ceratonia siliqua L.）幼苗根系 NO3-吸收速率隨著根區(qū)溫度（20 ℃、 30 ℃ 和 40 ℃）的升高增加 （Cruz 等，1995）。 土壤溫度對植物根系 NO3--N 吸收的影響可能與其對根系的呼吸等生理過程的改變有關（Atkin 等，2000）。植物激素不僅調控植物的生長發(fā)育，而且對植物的 NO3--N 吸收也有調控作用（Gabriel 等，2011；Kiba 等，2011）。生長素可上調 AtNRT1.1 的表達（Guo 和 Crawford，2002），而抑制 AtNRT2.1的表達（Yinbo 等，2005）。脫落酸（ABA）也對 NRT 基因的表達有一定的影響（Kiba 等，2011）。有關細胞分裂素（CK）對植物 NRT 基因表達和 NO3--N 吸收的調控的研究最為深入。Kiba 等（2011）的試驗結果顯示，無論在高 N 還是低 N 條件下，外源 CK 均可抑制擬南芥根系中 AtNRT 基因的表達。圖 1.1 顯示了 CK 調控植物 NO3--N 吸收的機制：CK 作為表征植物組織氮素營養(yǎng)水平的信號，通過反饋抑制機制調控 NRT 基因的表達和 NO3--N 的吸收（Kiba 等，2011；Ruff

圖 1.2 黃瓜 GAox 催化的赤霉素轉化反應（Lange 等，2013）Fig. 1.2 Reactions catalysed by recombinant GA-oxidases in cucumber 赤霉素信號轉導模型年來，利用遺傳學方法和生化方法深入研究了 GA 信號轉導途徑（Jiang 和 Fu，200999）。在現(xiàn)已明確的 GA 信號轉導途徑中，，DELLA 蛋白是關鍵元件。DELLA 蛋白端含有保守的 DELLA 結構域的轉錄因子。在沒有 GA 存在的情況下，DELLA 蛋白長發(fā)育相關的轉錄因子結合，阻遏植物的生長發(fā)育（Jiang 和 Fu，2007；Peng 等，stone 等，2001）。如圖 1.3 所示，在有 GA 存在是，GA 受體 GID1 與赤霉素分子結ID1 復合體，在 GA 分子的誘導下，GID1 發(fā)生構象變化，在 N 端形成疏水表面，增A 蛋白的結合能力；接下來 GA-GID1 復合體與 DELLA 蛋白結合，形成 GA-GID1-；三聚體的形成又進一步促進了 DELLA 蛋白同 SCFSLY1/GID2（E3 泛素連接酶復，后者使得 DELLA 蛋白發(fā)生泛素化，進而被 26S 蛋白酶降解，最終解除 DELLA 導基因表達的抑制，完成 GA 信號的轉導（Jiang 和 Fu，2007）。
【學位授予單位】：中國農業(yè)科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S642.2

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本文編號：2550120