生姜种质资源评价及其对温度胁迫的生理响应机制

【摘要】生姜(ZingiberofficinaleRosc.)是我国出口创汇的主要蔬菜之一,年出口量达50万吨左右,占世界生姜出口总贸易量的70%以上。但因生姜是无性繁殖作物,种质创制、新品种选育较为困难,生产主栽品种比较单一,多为地方品种；另外,生姜生长期长,生长过程需经历夏季高温和早春、晚秋的霜寒,若温度调控不当,易导致生长异常。为此,本文利用农艺学与分子生物学相结合的方法,对世界多地的生姜资源进行了鉴定评价,并研究了外源信号物质调控生姜对温度胁迫的生理响应机制,旨在为生姜种质资源创制和栽培技术创新提供理论依据。主要结果如下：146份生姜种质资源的主要农艺性状变异广泛,变异系数为11.4～51.3%,其中产量的变异系数达25.7%,说明生姜虽然是无性繁殖作物,但遗传多样性较为丰富。生姜的11个主要农艺性状均与产量相关,且大多呈显著或极显著正相关,其中茎粗(0.7934)、茎鲜重(0.7302)、株高(0.6024)、叶鲜重(0.5847)和根鲜重(0.5039)均与产量呈极显著正相关,而根茎干物质含量(-0.6155)、分枝数(-0.3680)与产量呈(极)显著负相关；主成分分析将影响生姜产量的主要农艺性状分为株型因子、分枝因子和叶型因子。多元线性回归分析确定了影响生姜产量形成的主要农艺性状为茎粗、茎鲜重、叶鲜重、根茎干物质含量,其对产量模型的决定系数达0.8194。2筛选出的15对SRAP引物共扩增出305条带,其中188条为多态性条带,多态性比率为61.68%,平均每对引物扩增出20.33个位点和12.53个多态性位点,说明生姜种质资源具有丰富的遗传多样性。51份生姜种质的Nei’s遗传多样性指数、Shannon信息指数平均值分别为0.3689、0.5510,据此可将生姜种质分为3个大类、9个亚类,分析比较发现,每一类的生姜多来源于相同或相近区域。进一步研究表明,7个不同地理来源群体的Shannon信息指数范围是0.2901—0.4807,在遗传相似系数为0.9时,可将7个群体分为4类,华北群体、非洲群体各为一类,东南亚群体与日韩群体为一类,东南沿海群体、西南高原群体、华中群体为一类。根据遗传相似系数的UPGMA聚类分析结果,生姜种质资源的遗传多样性受地理来源影响较大；群体间遗传多样性分析表明,中国国内群体的遗传多样性高于国外群体,尤其华北群体与其他群体的遗传距离较远,且其栽培历史悠久,可以判定中国华北地区是生姜的次生起源地；而鉴于非洲群体的遗传多样性指数较高,与其他群体的遗传距离较远,且空间分布距中心位置较近,又有野生种存在,据此推断非洲可能是除东南亚之外的另一生姜原生起源地。3高温胁迫导致生姜叶片相对含水量及叶绿素含量显著降低,02–产生速率、H2O2、MDA含量及电解质渗透率显著升高,胁迫至10d时生姜叶片的MDA含量增幅达47.2%;随着胁迫时间的延长,Fv/Fm、φPSⅡ、Fv’/Fm’、qP和P持续降低,NPQ、β/α-1和D显著升高；多胺代谢失调,游离态、结合态多胺含量先升后降,束缚态多胺持续上升,Put/PAs比值显著升高。SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性在胁迫初期有所增强,后期急剧下降,同时,AsA-GSH循环遭受破坏。外源添加NO可恢复叶片相对含水量和叶绿素含量,增强抗氧化酶活性,维持AsA-GSH循环系统的稳定性,降低叶片ROS水平,减轻膜脂过氧化程度；增强ADC和ODC活性,促进多胺的生物合成及形态转变,在一定程度上降低了叶片膜系统及PSⅡ的损伤程度,进而减轻高温胁迫对生姜植株的伤害。4高温胁迫导致生姜叶片水分亏缺,叶绿素含量降低,叶绿体和类囊体严重受损；Fv/Fm、φPSⅡ、Fv’/Fm’、qP和P持续降低,NPQ、β/α-1和D显著升高,诱发O2-和H2O2大量积累,进而导致叶片MDA含量和电解质渗透率升高；同时,内源激素失衡；SOD活性、ABA含量和脯氨酸含量先升后降,而APX活性、CTK含量和KT含量则持续下降。外源添加Spd可恢复叶片相对含水量和叶绿素含量,维持叶绿体和类囊体结构的完整性,提高高温胁迫下抗氧化酶活性,降低MDA含量和电解质渗透率,进而降低ROS水平,促使叶绿素荧光参数趋于正常水平,提高CTK、KT和ABA含量,促进脯氨酸代谢,进而保护光合机构、抵抗水分散失,在一定程度上降低了叶绿体膜系统及PSⅡ的损伤程度,缓解了高温胁迫对生姜植株的伤害。5NO和多胺信号间具有相互诱导作用,二者在提高生姜幼苗耐冷性过程中具有协同效应。低温胁迫加剧了生姜叶片叶绿素的降解及PSⅡ的受损程度,使Fv/Fm、(DPSⅡ,Fv’/Fm’、qP和P显著降低,而NPQ，β/α-1，D和Ex明显升高。胁迫10d时,膜系统中不饱和脂肪酸含量降低40%,膜的流动性显著降低。SOD,CAT,GPX,APX,DHAR,MDHAR和GR等抗氧化酶活性分别下降73%,51%,77%,72%,61%,63%和74%；AsA-GSH循环失衡。外源添加SNP、Spd均可提高生姜植株的耐冷性,但共同添加SNP和Spd时在二者的交联作用下缓解效果更为显著,使O2、H2O2、TBARS含量分别降低24%,31%和30%,电解质渗透率降低35%,同时通过增强DHAR,MDHAR和GR活性维护生姜叶片的AsA-GSH循环的稳定,有效保护低温条件下生姜植株PSⅡ系统,增强其抗氧化能力,维持其膜系统的流动性,进而增强生姜植株的耐低温性。
【作者】李秀；
【导师】徐坤；
【作者基本信息】山东农业大学，蔬菜学，2014，博士
【关键词】生姜；农艺性状；遗传多样性；起源；温度胁迫；生理响应；

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