野生大麦与栽培大麦耐盐性的生理及遗传差异研究

【摘要】土壤盐害是制约粮食生产的主要环境胁迫之一。为满足全球不断增长的粮食需求,增强作物耐盐性是育种家所面临的的重大挑战。然而,迄今开展的常规育种技术未能在创制作物耐盐新品种上取得突破性成果,而揭示耐盐性的遗传机制对耐盐育种目标的实现具有重要作用。盐胁迫几乎影响植物生理、形态、生化以及分子水平的各个方面。西藏野生大麦是栽培大麦的祖先之一,在非生物胁迫耐性上存在丰富的变异。因此,本研究分析比较了西藏野生大麦(Hordeumspontaneum)和栽培大麦(Hordeumvulgare)在整株及细胞水平上的盐胁迫响应,旨在：(1)揭示大麦耐盐生理响应以及野生大麦与栽培大麦的耐性差异；(2)明确野生和栽培大麦中Na+、K+亚细胞定位以及液泡H+-ATP酶和H+-PP酶编码基因的表达模式；(3)阐明作用于Na+离子平衡的Na+/H+反向转运体(NHX)基因在盐胁迫下的表达模式；(4)鉴定野生和栽培大麦中HvNHX基因的遗传多态性。主要结果如下：1、野生大麦与栽培大麦的盐胁迫生理响应差异。野生大麦与栽培大麦在生物量、Na+积累、根部和地上部Na+/K+比、叶绿素含量、光化学效率(Fv/Fm)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、木质部胞液渗透势、电解质渗出率、液泡H+-ATP酶和H+-PP酶活性上对盐胁迫的响应存在着差异,其中野生大麦XZ16的耐盐性要强于栽培大麦Yerong和Gairdner。2、野生大麦与栽培大麦耐盐性差异的形态、生理和分子机制。根系结构研究表明,盐胁迫下Gairdner的总根长、根系表面积、平均直径以及总体积显著低于CM72和XZ16。与栽培大麦CM72和Gairdner相比,野生大麦XZ16活性氧(ROS)清除能力更强,表现为超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性和脯氨酸含量上升,以及ROS(O2和H2O2)积累下降。透射电镜分析显示,盐胁迫下所有供试大麦基因型的叶、根细胞基本超微结构均发生改变,尤以叶绿体为甚。此外,盐胁迫害下3个基因型的细胞超微结构损伤存在显著差异,XZ16最轻微,而Gairdner最严重。亚细胞研究表明,Na+由细胞质向液泡的区隔化是缓解离子毒害的主要机制。钠绿(CoroNa-Green)特异荧光染色显示,Gairdner胞内积累的Na+显著高于CM72和XZ16。荧光定量PCR分析表明,液泡H+-ATP酶和无机焦磷酸酶基因(HvHVA/68和HvHVP1)在叶和根中的转录丰度依次为XZ16、CM72、Gairdner。3、野生大麦与栽培大麦耐盐性的遗传差异。HvNHX基因的表达研究发现,耐盐基因型中该基因诱导表达水平较高,表明该家族在作物耐盐中有重要作用。与盐敏感基因型比较,耐盐性较强的XZ16、CM72的叶和根中,HvNHX1和HvNHX3在各个时间点均上调表达。HvNHX2和HvNHX4也受盐处理诱导表达,但上调幅度小于HvNHX1和HvNHX3。上述结果表明,HvNHX1和HvNHX3是调控Na+向液泡隔离的候选基因。单核苷酸多态性(SNPs)分析表明,在38个野生和栽培大麦代表基因型中,HvNHX1和HvNHX3基因序列存在SNP、小片段插入和位点缺失等多态性。4、耐盐相关等位基因的鉴定。在HvNHX1基因的第1(753bp)、第3(658bp)和第4(626bp)个片段中分别鉴定到SNPG/A、A/T、T/C、C/A,G/A、C/A、/T、T/G,和G/A、G/C、C/A、C/T、T/G、G/T,而在第2个(308bp)片段中,除检测到SNPG/T、G/A、T/C、C/A、A/T、A/G外,个别基因型中还存在单核苷酸缺失。在HvNHX3基因的第1(714bp)、第2(947bp)和第3(520bp)个片段中分别鉴定到SNPG/T、G/C、G/A、A/T、A/C、C/T、T/G,T/A、T/G、T/C、C/T,以及T/A、G/T、T/G、C/T、G/A。上述结果表明,西藏野生大麦蕴含HvNHX1和HvNHX3基因的丰富等位变异。因此,评价野生大麦遗传变异并研究其耐盐机理是挖掘耐盐相关新基因的重要途径。
【作者】佐拉（ZAHRAJABEEN）；
【导师】张国平；
【作者基本信息】浙江大学，作物学，2014，博士
【关键词】细胞超显微结构；盐害；单核苷酸多态性；离子平衡；H~+-ATP酶；H~+-PP酶；HvNHX；野生大麦；活性氧；

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