西瓜氮素养分高效吸收利用的机制研究

【摘要】西瓜(Citrulluslanatus)是世界范围内最重要的20种农作物之一,我国是世界西瓜生产与消费第一大国,2007年我国西瓜种植面积达到2677万亩,占全球总面积的58.66%,产量占67.87%,我国人均年消费量52.54Kg,世界人均年消费量为15.82Kg(FAO,2007)。然而随着西瓜栽培面积的不断增加及集约化栽培程度的不断提高,随之带来的大量使用氮肥、不合理施肥现象日益加重,造成氮肥利用率低,西瓜产量和品质受到影响,硝酸盐、亚硝酸盐积累,而且使土壤耕作层破坏、板结、肥力下降、盐份上升,以及造成肥料面源污染等一系列问题。因此,研究西瓜氮素养分高效吸收利用的机制,探索一条西瓜高产、优质及环境友好型氮肥施用途径具有重要的科学意义和应用价值。本文研究了西瓜氮素养分高效吸收利用的机制和调控措施,深入探讨了嫁接对西瓜生长和氮素吸收利用影响的生理与分子机制。取得的主要结果如下：1.在正常供氮和低氮胁迫下8个西瓜基因型对氮素吸收利用具有显著的基因型差异。此外,植株干物质量、株高、叶面积、根系形态等指标也存在显著的基因型差异。我们对8个西瓜基因型在低氮水平下氮利用效率和高氮水平下生物量的平均值进行聚类分析,分为高效高响应(ER)、高效低响应(ENR)、低效高响应(IER)、低效低响应(IENR)四种类型。西农8号、早春红玉、京欣1号属于ER,在低氮胁迫下高效,随着氮水平的增加高效响应；浙蜜5号和秀芳属于ENR,在低氮胁迫下高效；小芳属于IER,在氮素供应充足条件下生物量较高；丽芳和早佳属于IENR,无论养分供应量高或者低,生物量都比较低。2.硝态氮和铵态氮不同配比显著影响西瓜植株干物质量、株高、叶片数、叶面积、光合作用以及根系形态指标,随着NO3-/NH4+比的降低植株生长逐渐受到抑制,植株体内大量元素和微量元素积累量呈下降趋逐,此外植株的氮素利用率明显降低。因此,不同氮素形态及配比显著影响西瓜植株生长及氮效率,在西瓜生长早期以多施硝态氮肥为宜。3.通过把西瓜与葫芦砧木“甬砧1号”和南瓜砧木“新土佐”进行嫁接,在正常供氮和低氮胁迫下嫁接均能够促进植株生长,增强光合作用,加强矿质元素吸收,提高植株的干物质量积累。对西瓜、葫芦和南瓜根系形态指标进行分析,发现葫芦和南瓜砧木的根长、根表面积、根体积等指标要明显高于西瓜。而且,通过与葫芦和南瓜砧木进行嫁接能够显著提高西瓜氮效率,在正常供氮条件下氮素利用效率分别提高45%和69%,在低氮胁迫下分别提高10%和39%。4.以葫芦和南瓜为砧木对西瓜进行嫁接,以自嫁接西瓜为对照,进行了嫁接西瓜转录组测序及分析研究。通过RNA-Seq获得初始reads155,309,206条,组装得到大于1000bp的转录本数目27,733条,并对获得的转录本进行了GO功能注释和生物学通路富集分析。此外我们进行了西瓜／葫芦(Wm/BG)、西瓜／南瓜(Wm/Sq)以及西瓜／西瓜(Wm/Wm)差异表达基因研究,与Wm/Wm相比,Wm/BG中有787条基因显著性差异表达,其中有459条基因显著性上调表达,有328条基因显著性下调表达；Wm/Sq中有3485条基因显著性差异表达,其中有3332条基因显著性上调表达,有153条基因显著性下调表达。这些差异表达的基因参与了众多的生物学过程和信号转导通路,包括各种代谢途径、次生代谢物质合成、糖代谢、激素合成、氧化还原、抗性响应等。此外氮素吸收及代谢通路相关基因包括硝酸盐转运体、谷氨酰胺合成酶等基因在西瓜与葫芦和南瓜砧木进行嫁接后显著性差异表达。5.分别以葫芦和南瓜为砧木进行嫁接,西瓜自嫁苗为对照,进行miRNA组测序,从全基因组水平研究了miRNA在西瓜嫁接体系中的调控作用。首次报道了西瓜中39个保守的miRNA,归属于30个miRNA家族,此外发现了80个西瓜特异的miRNA.在30个保守的miRNA家族中有17个在以葫芦和南瓜为砧木的嫁接苗中显著性差异表达。在Wm/BG和Wm/Sq中被共同调控的有5个miRNA家族,包括miR396、miR408、miR398、miR477和mR1661。此外有多个在Wm/BG和Wm/Sq中差异表达的miRNA与植物对硝态氮以及低氮胁迫响应有关,包括miR160、miR167、miR169、miR171、miR395、miR397、miR398、miR408、miR827等。我们对差异表达miRNA的靶基因进行分析,发现大多为转录因子以及一些功能蛋白,参与众多的生物代谢途径以及胁迫响应过程等。
【作者】刘娜；
【导师】张明方；
【作者基本信息】浙江大学，蔬菜学，2013，博士
【关键词】西瓜；氮效率；低氮胁迫；基因型；硝铵配比；嫁接；葫芦砧木；南瓜砧木；干物质量；根系形态；逆境响应；转录组测序；microRNA组测序；

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