玉米不定根通气组织形成及耐涝性的机制研究
水涝是制约玉米(Zea mays ssp.mays)生产最严重的自然灾害之一。尼加拉瓜大刍草(Zea nicaraguensis)是玉米野生近缘种，具有较强的耐涝性。尼加拉瓜大刍草根系中可形成组成型通气组织(CA)，水涝胁迫下可进一步产生诱导型通气组织(IA)，这可能是增强植株耐涝性的主要原因。为了在玉米中得到证实并解析其机制，合作方前期将尼加拉瓜大刍草中与CA相关的4个染色体片段导入Mi29，形成渐渗系AE24-50-44-91(AE91)。本论文选用CA形成能力高、中、低的尼加拉瓜大刍草、AE91和Mi29为材料，在室内和田间条件下分别进行水涝胁迫处理，并进行形态学和根系解剖学观察以及植株生理指标测定，以评价不同材料耐涝性;利用激光显微切割(LM)技术分离根皮层细胞进行转录组分析，筛选与CA形成相关的关键基因。另外，为了开展单细胞水平上的微量蛋白质组学研究，优化了基于LM材料的微量蛋白质组学分析方案;并利用此方案开展水涝胁迫下玉米根皮层细胞的蛋白质组学研究，筛选与IA形成相关的关键蛋白质。 本论文的主要研究结果如下: 1.AE91通过CA增强根系缺氧耐性 在正常溶氧培养条件下，AE91不定根中CA形成能力大于玉米自交系Mi29，但小于尼加拉瓜大刍草。在水涝缺氧培养条件下，植株的生长情况和光合性能强弱为尼加拉瓜大刍草＞AE91＞Mi29，这与三种材料的耐涝性强弱一致。室内缺氧处理2天后，AE91的根伸长速率和根尖细胞活力分别为Mi29的2.7倍和1.3倍;4天后，根尖80mm处的通气组织形成率为Mi29的3.4倍;这表明，AE91根可通过形成CA，尤其是胁迫处理后快速形成更多的IA，从而提供更多氧气供植株地下部在缺氧条件下使用，以增强其耐涝性。 2.玉米根中CA转录组分析 在尼加拉瓜大刍草与Mi29比较组中，共有3409个差异基因，其中1441个上调，1968个下调;在AE91与Mi29比较组中，共有702个差异基因，其中260个上调，442个下调。维恩分析结果显示，与Mi29相比，在尼加拉瓜大刍草和AE91均表达增强的差异基因有62个，均降低的有172个。对以上差异基因进行GO和KEGG分析发现，细胞壁疏松与降解相关的基因（木糖葡聚糖内转换葡萄糖基酶/水解酶等）、乙烯和生长素信号途径相关的基因(Auxin-responsive protein等)、富含半胱氨酸受体蛋白激酶28/29/41以及转录因子(Transcription factor bHLH60等)在尼加拉瓜大刍草和AE91根皮层中的表达量高于Mi29;而转录因子NAC48/49/75/86等在Mi29中高表达。根据以上结果推测乙烯和生长素信号途径可能均参与玉米CA形成过程，另外半胱氨酸蛋白酶启动的细胞程序性死亡(PCD)可能参与形成CA。 3.基于LM细胞为材料的微量蛋白质组方法学优化 为了开展植物单细胞蛋白质组研究，比较了不同组织固定方法、蛋白质提取及质谱鉴定分析方法等对组织切片形态及根皮层细胞蛋白质表达谱的影响。结果发现，在利用石蜡包埋样品的前提下，采用FAA固定液进行组织固定、切片制备厚度20μm、LM切割面积200mm2的方案，搭配FAA蛋白质提取试剂盒进行蛋白质提取和HPLC-MS/MS高灵敏度质谱分析仪鉴定，能够最有效固定组织、并提取和鉴定出质量和数量较高的蛋白质。 4.基于iTRAQ的玉米初生根皮层细胞蛋白质组研究 以正常和水涝条件下的玉米初生根为材料，通过LM技术分离根皮层细胞，利用已建立的基于LM细胞材料的微量蛋白质组研究方案，比较水涝肋迫下玉米根皮层蛋白质组的变化。结果发现乙烯途径相关蛋白（如1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶和S-腺苷蛋氨酸合酶）、细胞壁形成与降解相关的蛋白（如木糖葡聚糖内转换葡萄糖基酶等）以及乙醇发酵途径相关蛋白在处理后丰度增强，半胱氨酸蛋白酶/合成酶丰度降低，而半胱氨酸蛋白酶抑制剂丰度增强。以上结果说明，水涝胁迫下，厌氧发酵途径活跃以提供能量，另外，乙烯信号途径参与水涝下的根中的IA形成，而半胱氨酸蛋白酶启动的PCD可能不是IA形成的主导启动因素。 综合上述研究结果表明，参与玉米CA和IA形成的调控途径和因子有差别。其中，乙烯依赖型信号途径和生长素途径可能协同参与玉米根系CA形成;半胱氨酸蛋白酶类启动的PCD可能促进玉米根系CA形成。而乙烯信号途径参与水涝胁迫下玉米根中的IA形成;在缺氧信号胁迫下，半胱氨酸蛋白酶类启动的PCD可能不是玉米根系IA形成的主导因素。另外，Ca2+信号相关基因/蛋白、ROS介导的信号转导过程相关基因/蛋白以及饱和极长链脂肪酸代谢过程可能共同参与玉米根系CA和IA形成过程中的信号传导过程，影响细胞壁疏松和降解相关的酶及其编码基因的变化，导致细胞壁疏松/降解，最终形成通气组织。 上述研究结果将为解析玉米不定根溶生型通气组织形成(包括CA和IA)的分子机制提供新线索，并且对玉米耐涝性的遗传改良、基于分子设计培育玉米耐涝新品种具有重要意义。
玉米;品种选育;不定根;通气组织;耐涝机制
河南农业大学
博士
作物学
王伟
2019
中文
S513.03
2020-10-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）