小麥穎果發(fā)育及其對氮素和干旱脅迫響應的研究.pdf

1、小麥是世界上最重要的糧食作物之一。在小麥穎果發(fā)育過程中，根據(jù)養(yǎng)分的生產(chǎn)、運輸和積累特點，可將穎果劃分為養(yǎng)分運輸組織、養(yǎng)分貯藏組織和果皮組織，這三種組織相互協(xié)調(diào)發(fā)展，共同決定小麥穎果的發(fā)育狀況。氮素是影響小麥穎果發(fā)育最活躍的營養(yǎng)元素，對小麥品質(zhì)性狀形成具有重要作用。干旱是小麥最主要的非生物逆境脅迫因子之一，嚴重影響小麥生長發(fā)育。本文綜合運用各類顯微鏡觀察、生理生化測定、理化性質(zhì)測定、品質(zhì)分析、轉(zhuǎn)錄組測序和蛋白質(zhì)組學分析等手段對小麥穎果各組

2、織的發(fā)育規(guī)律、相互關系及其對氮素和干旱脅迫的響應特征進行了研究，主要結(jié)果如下:
　　1.小麥穎果養(yǎng)分運輸組織的結(jié)構發(fā)育及其與養(yǎng)分貯藏組織發(fā)育的關系
　　(1)小麥穎果養(yǎng)分運輸組織由母體和子代養(yǎng)分運輸組織構成，其中母體組織包括維管束、合點和珠心突起傳遞細胞;子代組織包括糊粉層傳遞細胞、胚乳傳遞細胞、胚乳輸導細胞和糊粉層。(2)成熟穎果養(yǎng)分貯藏組織為子代組織，由胚和中央胚乳組成。(3)卸載至質(zhì)外體腔的養(yǎng)分經(jīng)三條途徑到達子代組織:

3、第一條是經(jīng)糊粉層傳遞細胞、胚乳傳遞細胞和胚乳輸導細胞/胚周圍組織到達胚;第二條是經(jīng)質(zhì)外體空間運向胚乳的周圍，再經(jīng)糊粉層運向中央胚乳和胚;第三條是經(jīng)糊粉層傳遞細胞和胚乳傳遞細胞到達中央胚乳中。(4)養(yǎng)分運輸組織的發(fā)育過程呈現(xiàn)時空變化，同時與胚和胚乳相互協(xié)調(diào)發(fā)育。(5)與糯性小麥相比，非糯小麥穎果的珠心突起傳遞細胞、糊粉層傳遞細胞和胚乳傳遞細胞等細胞比較發(fā)達，導致粒重較高。
　　2.小麥果皮發(fā)育及其淀粉體的積累和降解特征
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4、1)小麥果皮具有生產(chǎn)和臨時貯藏養(yǎng)分的功能。根據(jù)果皮的結(jié)構和生理特征，我們將它的發(fā)育過程劃分為四個時期，即生長期、形成期、消失期和成熟期。不同小麥品種不同部位果皮發(fā)育進程及其淀粉積累量存在明顯差別。(2)與胚乳淀粉相比，小麥果皮淀粉以復粒淀粉為主，形狀不規(guī)則，粒度小，儲存在淀粉體或葉綠體中;果皮中鈣、鋅、鐵、鉀等元素的含量明顯高于胚乳;果皮淀粉的合成和降解與葡萄糖焦磷酸化酶、顆粒結(jié)合淀粉合成酶以及AMY基因的表達量變化相關;發(fā)育后期的果皮

5、中直鏈淀粉含量低于發(fā)育前期，而相對結(jié)晶度高于發(fā)育前期，淀粉粒表層短程結(jié)構有序度在果皮的發(fā)育過程中無明顯變化。(3)與水稻和玉米相比，小麥果皮中淀粉體積累特征存在明顯差別:小麥背部和腹部果皮都積累小顆粒淀粉，而水稻和玉米只在背部外果皮中積累;小麥和水稻果皮淀粉粒會在葉綠體中積累，而在黑暗中發(fā)育的玉米果皮淀粉粒不會在葉綠體積累;小麥果皮淀粉為單?；驈土５矸?，呈球形和不規(guī)則形，而水稻和玉米果皮均為復粒淀粉，呈不規(guī)則形或多面體形。
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6、.施氮對小麥胚乳蛋白體發(fā)育及淀粉體空間分布特征的影響
　　(1)施氮能改變蛋白體的聚積方式。對照組胚乳細胞中蛋白體較小，呈散點狀無序分布在胚乳細胞中，而施氮組胚乳細胞中蛋白體較大，以蛋白聚集體的形式分布在胚乳細胞的特定區(qū)域。(2)施氮顯著提高了胚乳細胞中蛋白體的數(shù)量和相對面積，品種間對施氮響應程度表現(xiàn)為強筋小麥徐麥30＞弱筋小麥揚麥13，胚乳不同部位的響應程度表現(xiàn)為背部胚乳＞腹部胚乳。(3)胚乳不同部位淀粉體分布特征及對氮素響應存

7、在差異:腹部和背部近糊粉層胚乳淀粉體分布特征類似，腹部和背部中央胚乳淀粉體分布特征類似，而胚乳傳遞細胞淀粉體的分布特征與上述四個部位顯著不同，不同部位胚乳中淀粉體密度表現(xiàn)為腹部近糊粉層胚乳＞腹部中央胚乳＞背部近糊粉層胚乳＞背部中央胚乳＞胚乳傳遞細胞;對于腹部和背部胚乳而言，施氮提高了近糊粉層胚乳中A-和B-型淀粉體的密度及中央胚乳中B-型淀粉體的密度，但降低了中央胚乳A-型淀粉體的密度和胚乳傳遞細胞中A-型和B-型淀粉體的密度。以上結(jié)果

8、表明，孕穗期施氮提高了蛋白體的積累量，增加了小淀粉體的密度，降低了大淀粉體的密度，同時穎果不同部位表現(xiàn)出不同的響應程度。
　　4.施氮對小麥胚乳貯藏蛋白的合成、組分及加工品質(zhì)的影響
　　(1)花后7天有3483個差異表達轉(zhuǎn)錄本和169個差異表達蛋白，花后18天有3084個差異表達轉(zhuǎn)錄本和154個差異表達蛋白，部分差異表達轉(zhuǎn)錄本參與了蛋白質(zhì)的合成過程;(2)花后7天和18天大部分差異表達的小麥貯藏蛋白發(fā)生上調(diào)，包括醇溶蛋白、高

9、分子量谷蛋白亞基、低分子量谷蛋白亞基;實時熒光定量PCR分析表明，編碼這些貯藏蛋白的轉(zhuǎn)錄本發(fā)生了差異表達，大部分轉(zhuǎn)錄本和蛋白的表達趨勢一致;(3)相關性分析表明，花后7天施氮/對照和花后18天施氮/對照分別匹配到1162和1063個轉(zhuǎn)錄本-蛋白對，轉(zhuǎn)錄本在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平的表達相關性很低。(4)施氮影響小麥蛋白質(zhì)組成和品質(zhì)性能，不僅提高了小麥穎果不同發(fā)育階段的醇溶蛋白、谷蛋白和貯藏蛋白含量，而且提高了小麥面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時間和彈性等

10、加工品質(zhì)指標。以上結(jié)果表明，施氮是通過改變參與蛋白質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄本的表達量和蛋白水平貯藏蛋白的的表達來提高貯藏蛋白質(zhì)含量和改善加工品質(zhì)的。
　　5.干旱脅迫對小麥胚乳蛋白體和淀粉體的發(fā)育及淀粉理化性質(zhì)的影響
　　(1)花后12天到38天，胚乳中蛋白質(zhì)含量呈先降后升的變化趨勢，近糊粉層胚乳中蛋白體的積累量高于中央胚乳，強筋小麥徐麥33蛋白體積累量和蛋白質(zhì)含量高于弱筋小麥寧麥13;干旱脅迫能顯著增加背部和腹部胚乳中蛋白體的尺寸和相

11、對面積。(2)干旱脅迫分別增加了花后12天小麥胚乳中A-型淀粉體的尺寸和花后18天胚乳中B-型淀粉體的比例，降低了寧麥13成熟籽粒淀粉中B-型淀粉粒的比例，增加了徐麥33成熟籽粒淀粉中表面帶凹陷的A-型大淀粉粒數(shù)目，同時也降低了千粒重、籽粒總淀粉、直鏈淀粉含量和直鏈/支鏈淀粉比例。(3)干旱脅迫影響了籽粒淀粉的理化性質(zhì)。干旱脅迫提高了徐麥33淀粉的膨脹勢、峰值粘度和低谷粘度，提高了寧麥13淀粉的峰值粘度、低谷粘度和崩解值。干旱脅迫提高了

12、寧麥13淀粉α-淀粉酶的水解率，降低了葡萄糖淀粉酶和鹽酸的水解率，而對徐麥33淀粉的水解率影響較小。干旱脅迫還改變了兩個小麥品種天然淀粉、糊化淀粉和回生淀粉中快速消化淀粉、慢速消化淀粉和抗性淀粉的含量。
　　本研究揭示了小麥穎果各類組織的發(fā)育特點及其相互關系，闡明了氮素和干旱脅迫對小麥穎果發(fā)育的響應特征。研究結(jié)果不僅豐富了植物學、細胞生物學和發(fā)育生物學等學科的理論知識，深化了小麥穎果發(fā)育規(guī)律、籽粒品質(zhì)形成機理和調(diào)控機制的研究，而且