肥料和密度对玉米生长发育及DNA甲基化的影响

【摘要】玉米是我国最重要的粮食作物之一,吉林省玉米的种植面积居全国前列,是国家重要的商品粮基地,承担着保障国家粮食安全的重要使命。环境变化可以导致表观遗传变化,并且可以遗传。玉米在不同栽培措施下的长势、形态各不相同。在极端的密度梯度和肥料量级下对环境的反应表现并不相同,那么在表观遗传学分子水平是否发生变化,发生了怎样的变化,特别是一些表观调控机制发生了什么改变,尚不清楚。本文在不同的种植密度和肥料量级梯度下,研究栽培措施对玉米生长发育的影响,以及杂交种和亲本DNA甲基化水平,分析玉米在不同栽培环境下表型性状与DNA甲基化变异的关系,找出DNA甲基化在参与环境因素导致的表观遗传性状表达的一些作用,为玉米育种和栽培的理论研究和生产实践提供新的途径和方法。本文试验结果如下：(1)氮肥磷肥的施用对玉米生长发育有促进作用,在一定范围内影响玉米的株高、茎粗、单株叶面积、叶面积指数和叶绿素含量。随着施氮量的增加,玉米的株高、茎粗也增加,玉米单株叶面积、叶面积指数、叶绿素含量和净光合速率呈现先升高后降低的趋势。随着施磷量的增加,玉米的株高、茎粗也增加,在拔节期和大喇叭口期增施磷肥有助于提高玉米的叶面积和叶面积指数。在吐丝期以后,增加磷肥施用量会增加玉米叶绿素含量,但对玉米净光合速率影响不大。氮肥磷肥对玉米有明显的增产效果,产量随着用量的增加而提高,当超过临界值,产量反而降低。在氮量级试验中,施氮量为224kg时,玉米的产量最高11944.7kg/hm2。在磷量级试验中,施磷量在95.8kg时,玉米最高产量12001.7kg/hm2。玉米的产量与穗粒数和百粒重呈正相关,与容重的关系不明显。在适宜的种植密度下,玉米产量的提高主要取决于穗粒数的增加和百粒重的提高。(2)密度的增加会增加玉米的株高,降低茎粗、单株叶面积、叶绿素含量和净光合速率。玉米群体叶面积指数随着种植密度的增加而升高,但是随着种植密度越来越大,群体叶面积指数增加的速度也越来越慢。玉米产量随密度增加而增加,当密度超过一定范围,产量呈下降趋势,吉单618的种植密度在6.2万株/hm2时,最大产量为11428.9kg/hm2。密度种植过大,在一定程度上会降低玉米的百粒重、容重及穗粒数。(3)本试验采用MSAP技术对不同栽培措施下玉米杂交种及亲本甲基化水平进行了分析,结果表明：不同氮量级下杂交种整体甲基化水平相对亲本较低。在增施氮肥的情况下,父本吉D850的CHG位点的甲基化水平有所下降,而CG位点甲基化水平与之相反,略有升高。在杂交种吉单618的CHG位点甲基化水平随着N量级的增加而升高,母本吉1037的CHG超甲基化变异随着施氮量的增加而升高。在杂交种中的CG超甲基化变异与氮量级有相关性,随着施氮量的增加而增加,说明施氮量越高,越容易引起CG超甲基化变异。去甲基化位点主要以CG去甲基化为主,特别是在杂交种中。在父本中CG、CHG去甲基化变异相差不大,但是他们都与氮肥的用量呈负相关。在母本中,CG去甲基化变异随着施氮量的增加而降低,各处理间CHG去甲基化变异相差不大。杂交种中的CG去甲基化变异随着氮肥的增加而明显升高,这与双亲中CG去甲基化变异与氮量级负相关的结果相反,表明杂交种中的基因组稳定性和受甲基化影响的基因表达模式可能与双亲不同。(4)父本CG位点甲基化水平与磷量级呈负相关,而在母本中呈正相关,在杂交种中无相关性。在杂交种中的CG超甲基化变异与磷量级呈正相关性,随着施磷量的增加而增加。去甲基化变异在父本中主要以CG为主,而CG去甲基化变异与施磷量呈正相关,在杂交种中,CG和CHG去甲基化变异与磷肥正相关。杂交种在磷量级升高时的去甲基化变异趋势和父本一致,说明这种CG去甲基化响应模式遗传自父本。(5)在父本中,CHG位点甲基化水平随着密度增加而增加,呈现正相关,母本和杂交种的CG、CHG甲基化水平与密度的关系不明显。在父本中CHG超甲基化变异随着密度的增加有升高趋势。杂交种的CG、CHG去甲基化变异模式和双亲基本一致,说明CG、CHG去甲基化模式变化与基因型无关,而且D3(6万株/hm2)密度处理是密度梯度影响甲基化感知的转折点。(6)在不同施氮量下,玉米的主要农艺和生理性状与CHG位点甲基化水平及CG位点去甲基化显著正相关,表明二者的关系变化是由相同的因素(N量级处理)所引发的,并且做出了相类似的反应。但是,由于CHG甲基化状态影响核基因组的稳定性与转录活性,所以在表型上显示的对氮量级处理的适应性变化,至少部分受于CHG甲基化信号控制。磷量级与DNA甲基化的关系只在整个生育期内的某个性状上表现,而不同氮量级条件下玉米大多数性状与甲基化有关,这说明玉米甲基化模式对氮素条件的变化比磷素条件的变化敏感。不同密度条件下,在整个生育期内玉米大部分性状与甲基化没有相关性,只是在某一时期的某个性状相关。这说明,密度环境的改变没有达到影响玉米甲基化的临界点,所以在玉米表型上没有体现与之有相关性的甲基化水平,或者密度对甲基化无影响。(7)栽培环境条件的改变,诱导植物基因组一些胞嘧啶甲基化的变化,一是通过甲基化控制响应基因,也就是甲基化修饰,直接控制基因表达。另外一种可能性从基因组稳定性这个角度来说,在一些非基因区甲基化的变化影响染色质的结构改变,进而间接影响基因表达。本试验在不同栽培条件下对玉米双亲和杂交种的甲基化水平及变异模式研究,很多结果在杂交种的表现上与双亲不同,说明杂交种DNA甲基化模式在遗传过程中经历了很大的改变与调整,以协调来源于双亲的异质基因的协同表达,并使某些基因高效转录,而有些基因转录受到抑制,这些基因的表达可能对杂种优势的形成有关。
【作者】罗洋；
【导师】董英山；
【作者基本信息】东北农业大学，作物遗传育种，2014，博士
【关键词】玉米；生长发育；肥料；密度；DNA甲基化；MSAP；

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