水稻幼苗鐵吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的基因型差異及生理機(jī)制研究.pdf

1、鐵是植物生長(zhǎng)的必需礦質(zhì)元素，參與植物的呼吸光合及一系列生理代謝過程。鐵在地殼中含量豐富，但是因其多以可溶性極低的氧化物形式存在，因此，植物缺鐵在農(nóng)業(yè)中是個(gè)普遍存在的問題，其失調(diào)不僅影響植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和耐受性，限制植物生長(zhǎng)、籽粒中的鐵含量，而且會(huì)通過食物鏈影響人類和動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)狀況。解決植物缺鐵問題是改善人類和動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)問題的關(guān)鍵。水稻是世界和我國(guó)的主要糧食作物，近2/3的人口以大米為主食。因此，富鐵水稻的研究已成為當(dāng)今的熱點(diǎn)方向。本課題

2、選用富鐵品種(H9405)和常規(guī)品種(Yang6)為材料，本研究用蛋白組學(xué)的方法找出缺鐵差異蛋白涉及的主要生理代謝途徑，根據(jù)這些生理途徑，分別從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)代謝、光合特性、抗氧化系統(tǒng)、基因表達(dá)等角度深入探討比較兩種基因型水稻對(duì)缺鐵的響應(yīng)差異，探明富鐵品種與常規(guī)品種在吸收利用鐵方面的異同，并結(jié)合長(zhǎng)距離信號(hào)調(diào)控證據(jù)，提出了水稻應(yīng)對(duì)缺鐵時(shí)的生理響應(yīng)機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:
　　1.兩種基因型水稻生長(zhǎng)對(duì)不同形態(tài)鐵響應(yīng)不同
　　研究了不同

3、鐵素形態(tài)對(duì)不同基因型水稻幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，包括鐵含量、葉綠素含量、葉片和根系超微結(jié)構(gòu)等方面。研究表明，兩品種對(duì)不同鐵素形態(tài)處理有不同響應(yīng)。對(duì)于富鐵品種H9405，在不同鐵素供給情況下，測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)顯示其對(duì)不同價(jià)態(tài)鐵都有較高的吸收利用效率，生長(zhǎng)并沒有受到抑制，而Yang6則只在三價(jià)鐵供給時(shí)適應(yīng)良好，在二價(jià)鐵供給時(shí)生長(zhǎng)顯著受到抑制，這也是富鐵品種對(duì)缺鐵有更好耐受性的體現(xiàn)并且富鐵的原因。
　　2.水稻葉片和根的蛋白質(zhì)組對(duì)缺鐵的響應(yīng)

4、
　　為了探明水稻在缺鐵環(huán)境在蛋白組水平的響應(yīng)，本研究選用常規(guī)品種Yang6為材料，研究了其地上部和地下部蛋白對(duì)缺鐵環(huán)境的響應(yīng)。利用雙向電泳技術(shù)研究了水稻葉片和根蛋白質(zhì)組對(duì)缺鐵響應(yīng)。共檢測(cè)到73個(gè)蛋白質(zhì)在缺鐵處理后表達(dá)發(fā)生變化。通過串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)成功鑒定到63個(gè)蛋白質(zhì)。其中40個(gè)為葉片差異蛋白，23個(gè)為根系差異蛋白。這些蛋白質(zhì)涉及光合代謝，碳代謝，抗氧化系統(tǒng)，ATP能量合成，細(xì)胞生長(zhǎng)及信號(hào)傳導(dǎo)等方面。本研究在蛋白質(zhì)水平理解水稻對(duì)缺鐵

5、響應(yīng)提供了豐富的信息。根據(jù)蛋白質(zhì)組的結(jié)果，后面各章的研究從生長(zhǎng)、光合特性、能量代謝、抗氧化系統(tǒng)及信號(hào)傳導(dǎo)等方面對(duì)兩品種水稻進(jìn)行了缺鐵響應(yīng)的比較。
　　3.缺鐵抑制兩種基因型水稻生長(zhǎng)及鐵元素吸收分配
　　研究了缺鐵對(duì)不同基因型水稻幼苗生長(zhǎng)及鐵元素吸收分配的影響。研究表明，缺鐵對(duì)兩品種水稻的株高、根長(zhǎng)、干重生長(zhǎng)有抑制作用。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，缺鐵處理影響水稻幼苗對(duì)鐵元素的吸收，減少了鐵元素在地上部和地下部的分配積累。進(jìn)一步分析缺鐵對(duì)兩品

6、種礦質(zhì)元素吸收的影響發(fā)現(xiàn)，H9405的鐵在植株中的分配主要在地上部，而Yang6的鐵主要積累在根部。揭示了富鐵品種可能具備較強(qiáng)的鐵從根系轉(zhuǎn)到地上部的運(yùn)輸能力，從而可能對(duì)缺鐵環(huán)境有更好的耐受性。
　　4.缺鐵影響兩種基因型水稻抗氧化系統(tǒng)及光合特性
　　研究了缺鐵對(duì)不同基因型水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響。研究表明，因基因型不同，常規(guī)品種Yang6和富鐵品種H9405的抗氧化清除系統(tǒng)對(duì)于缺鐵響應(yīng)也不同。Yang6品種在缺鐵處理后，根系

7、和葉片的抗氧化系統(tǒng)均被啟動(dòng)，而H9405品種只有根系抗氧化系統(tǒng)被啟動(dòng)，葉片并無顯著變化。同樣說明常規(guī)舍鐵量水稻品種的抗氧化系統(tǒng)對(duì)缺鐵響應(yīng)更為敏感。
　　鐵元素不僅是葉綠體合成的前體，植物體內(nèi)許多含鐵化合物都參與了光合作用過程中的一些反應(yīng)，無疑缺鐵會(huì)影響光合作用的正常進(jìn)行。本文研究了兩種基因型水稻幼苗缺鐵處理后葉綠素含量、光合速率、葉片和根系超微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。缺鐵后，兩品種的葉綠素含量都顯著下降，且Yang6的下降幅度顯著大于H940

8、5品種，H9405的地上部含鐵量高于Yang6品種，我們推測(cè)在缺鐵情況下，H9405地上部?jī)?chǔ)備的鐵可以補(bǔ)償一部分因缺鐵導(dǎo)致的影響。同樣的原因可以解釋光合速率、葉片和根系超微結(jié)構(gòu)方面兩品種對(duì)缺鐵的不同響應(yīng)。
　　5.缺鐵誘導(dǎo)兩種基因型水稻鐵吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)基因響應(yīng)及長(zhǎng)距離信號(hào)調(diào)控證據(jù)
　　在缺鐵環(huán)境下，比較了常規(guī)品種Yang6和富鐵品種H9405的鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)響應(yīng)。結(jié)果表明，根系中的鐵吸收相關(guān)基因在缺鐵時(shí)，兩品種都呈現(xiàn)上調(diào)，且

9、常規(guī)品種的上調(diào)幅度大于富鐵品種;地上部反應(yīng)則相反，富鐵品種H9405的轉(zhuǎn)運(yùn)基因顯著上調(diào)，而常規(guī)品種Yang6的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)基因都顯著下調(diào)。結(jié)果分析表明根吸收和地上部維管束轉(zhuǎn)運(yùn)鐵相關(guān)的基因?qū)τ谌辫F環(huán)境的響應(yīng)可能與水稻品種的地上部和地下部鐵含量有關(guān)聯(lián)，同時(shí)由于信號(hào)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，地上部響應(yīng)可能早于地下部。
　　長(zhǎng)距離信號(hào)反饋調(diào)節(jié)在植物養(yǎng)分吸收中占重要地位，地上部產(chǎn)生的信號(hào)與根系吸收養(yǎng)分的能力密切相關(guān)。目前信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理并不清楚，本研究在前文各