葛根淀粉积累的生理及分子基础研究
葛根为药食两用植物，富含淀粉和黄酮类物质，具有极大的药用和食用价值。本研究以课题组选育的桂葛1号（广西产区主栽品种）和高产、高粉加工型桂葛8号为材料，研究不同发育时期葛根的农艺性状、叶片光合参数、淀粉积累、淀粉合成途径关键酶活性变化动态;克隆葛根淀粉合成关键酶(AGPase)小亚基基因(sAGP)和大亚基基因(LAGP);利用实时荧光定量PCR技术对大、小亚基基因进行时空表达分析;利用SPSS统计学软件分析葛根不同生长发育时期叶光合特性参数、农艺性状、淀粉积累、淀粉合成酶活性、块根AGPase基因表达量的相关性。获得以下结果: 1、葛根发育过程中农艺性状动态变化。整个生长时期，两个葛根品种块根的单株鲜重、产量、干物质含量、平均根长的变化均表现为8号高于1号，并在11～12月份达到显著差异水平，最高值分别是1号的1.9倍、1.9倍、1.58倍、1.19倍。两个葛根品种块根的单株鲜重、产量和干物质含量均表现为6～8月份缓慢增加，9～12月份快速增加。块根的平均根长在6～7月份快速增加，8～12月份缓慢增加，11月份达到最大值后趋于稳定。块根的平均根粗变化趋势基本一致，6～8月份缓慢增加，9～11月份快速增加，11月份达到最大值后趋于稳定，除6～7月份平均根粗为8号略大于1号外，其余月份均表现为1号大于8号，两品种块根的平均根粗10～12月份达到显著差异水平。 2、葛根叶片光合特性参数动态变化。在整个生长时期，葛根叶片净光合速率与气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率均呈单峰曲线变化，均在10月份达到峰值，之后迅速下降，总体上均表现为8号大于1号，最高值分别是1号的1.28倍、1.23倍、1.01倍、1.17倍。1号的净光合速率在6～8月份缓慢上升，8月份之后迅速提高，而8号的净光合速率在6月份后便迅速提高，10月份后，两品种的净光合速率均逐渐下降，除6月份差异不显著外，其余月份均差异显著。1号的气孔导度在6～7月份缓慢增加，8～9月份逐渐增加，8号的气孔导度在7～9月份逐渐提高，两品种气孔导度在9～10月份均迅速提高，10～12月份均迅速下降，除6月份和7月份两品种差异不显著外，其余月份均差异显著。1号和8号胞间CO2浓度在6～7月份缓慢增加，1号在8月份略有下降，8号在8月份逐渐增加，之后两品种在9～10月份均迅速提高，10～12月份均迅速下降，除6月份、7月份和10月份两品种差异不显著，其余月份均差异显著。两品种蒸腾速率在6～9月份维持在一定水平起伏，9～10月份急速上升，11～12月份急速下降，除10～11月份两品种差异显著外，其余月份均差异不显著。 3、葛根发育过程中块根淀粉积累与淀粉合成关键酶活性动态变化。 在整个生长时期，两个葛根品种块根的直链淀粉含量、支链淀粉含量和总淀粉含量都是逐渐增加的，6～10月份快速积累，10月份达到最高值后趋于稳定;在各个时期，直链淀粉含量均为1号高于8号，最高值是8号品种的1.19倍;支链淀粉含量与总淀粉含量均为8号高于1号，最高值分别是1号品种的1.21倍、1.08倍。两品种的直链淀粉和支链淀粉含量均为6月份差异不显著，7～12月份均差异显著;总淀粉含量6～7月份差异不显著，8～12月份差异显著。 淀粉合成关键酶AGPase、SSS、GBSS、SBE活性在整个生长时期均呈单峰曲线变化，均在10月份达到峰值，总体上均表现为8号高于1号，最高值分别是1号品种的1.31倍、1.35倍、1.29倍、1.1倍。两品种AGPase活性在6月份和12月份差异不显著，7～11月份差异显著。两品种SSS活性在9～10月份差异显著，其余月份差异不显著。两品种GBSS活性在6～8月份差异不显著，9～12月份差异显著。两品种SBE活性在6月份差异不显著，7～12月份差异显著。 4、葛根淀粉合成关键酶AGPase大、小亚基基因的克隆。利用PCR同源克隆技术克隆到葛根AGPase小亚基sAGP基因cDNA片段1679bp，编码463个氨基酸，与菜豆、豌豆、鹰嘴豆、小扁豆的sAGP基因核苷酸序列同源性高达90％以上，氨基酸序列同源性高达94％以上，具有很高的保守性。葛根sAGP与菜豆PvAGPS1氨基酸序列同源性高达96％，且聚类分析进化树中两者聚为一类，亲缘关系最近;克隆到葛根AGPase大亚基LAGP基因cDNA片段1273bp，编码307个氨基酸，与菜豆、豌豆等的LAGP基因核苷酸序列同源性为77％～93％，氨基酸序列同源性为69％～88％，其中与菜豆该基因的同源性最高，核苷酸序列高达93％，氨基酸同源性高达88％。 5、葛根发育过程中AGPase大、小亚基基因的时空表达动态。 两品种块根和根蔸中sAGP基因和LAGP基因表达在6～9月份表达水平均较低，10～12月份表达水平均较高，块根中均差异显著。整个生长发育时期块根中总体表现为8号高于1号。两品种块根sAGP基因表达均呈双峰变化趋势，1号的峰值出现在8月份和10月份，8号的峰值出现在7月份和10月份，除6月份两品种差异不显著外，其余月份均差异显著。1号块根LA GP基因为6～8月份逐渐下降，9～12月份逐渐升高，8号的表达为单峰变化趋势。在根蔸中，两个品种sAGP基因和LAGP基因的表达规律大体相同，即两基因均表现为6月份和10月份时1号略高于8号，差异不显著;9月份时8号略高于1号，差异不显著;8月份和12月份时1号显著高于8号;仅在7月份和11月份差异性变化不同，两品种sAGP基因表达量差异显著，LAGP基因表达量差异不显著，7月份时8号略高于1号，11月份为1号高于8号。在茎中，两个品种sAGP基因和LAGP基因的差异表达变化规律大体一致，即两个葛根品种sAGP基因和LAGP基因表达总体上表现为9～10月份均处于极低水平，其余月份表达水平均较高，除6月份外，两基因表达7～8月份均为1号高于8号，9～12月份表现为8号高于1号，7、8、11和12月份两品种差异达到显著水平，其余月份为差异不显著。在叶中，两个品种sAGP基因表达总体上为6～9月份处于较高水平，10～12月份处于较低水平，两个品种LAGP基因表现为6～10月份处于较低水平，11～12月份处于较高水平。两个品种sAGP基因和LAGP基因的差异表达变化规律大体一致，即除6月份和7月份外，8～9月份均为1号显著高于8号，10～11月份均为8号略高于1号，但差异不显著。 两个品种sAGP基因和LAGP基因各时期均存在组织特异性，且在10月份块根中表达量达到最大值时，两基因的表达量均表现为:块根＞根蔸＞茎＞叶片。1号sAGP基因在6～9月份总体上为茎和叶片中表达较高，10～12月份为块根和根蔸中表达较高，8号整个发育时期总体上均为块根中表达水平较高。两个品种LAGP基因在6～9月份，不同部位表达总体较低，在10～12月份，不同部位表达总体较高。 6、相关性分析。 两个品种葛根叶片的净光合速率与气孔导度、胞间CO2浓度呈极显著正相关，与蒸腾速率呈显著正相关。叶片的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度与块根支链淀粉、总淀粉含量呈极显著、显著正相关，与直链淀粉含量、单株鲜重、产量、干物质含量和根粗呈正相关，但差异均不显著，且系数值相对较小。单株鲜重、产量和干物质含量与块根支链淀粉、总淀粉含量呈极显著正相关。 葛根直链淀粉含量与SSS活性变化呈极显著正相关，与AGPase活性、GBSS活性、SBE活性、块根sAGP基因和LAGP基因表达量均呈显著正相关;支链淀粉含量和总淀粉含量与上述4个淀粉合成关键酶活性、块根sAGP基因和LAGP基因表达量均呈极显著正相关。块根sAGP基因表达量与AGPase活性、SSS活性、GBSS活性、SBE活性均呈极显著正相关;块根LAGP基因表达量与SSS活性、GBSS活性变化呈显著正相关，与AGPase活性、SBE活性呈正相关，但差异不显著。 单株鲜重、产量、干物质含量与块根LAGP基因表达量呈极显著正相关;根长与SBE活性呈极显著正相关，与AGPase活性、SSS活性、GBSS活性、块根sAGP基因表达量、块根LAGP基因表达量呈显著正相关。叶净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度与AGPase活性、SSS活性、GBSS活性、SBE活性、块根sAGP基因表达量呈极显著正相关;胞间CO2浓度与块根LAGP基因表达量呈显著正相关;蒸腾速率与AGPase活性、SSS活性、GBSS活性呈极显著正相关，与SBE活性呈显著正相关，与块根AGPase基因表达量均呈正相关，但差异不显著。
葛根;淀粉合成关键酶;基因表达量;农艺性状;光合特性
广西大学
硕士
植物学
王爱勤
2018
中文
S567.03
82
2018-10-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）