谷子对干旱胁迫的生理生态响应

干旱少雨严重限制了我国西北地区谷子的产量,为明确谷子响应干旱的生理特征,以干旱敏感谷子品种安04和不敏感品种豫谷1号以及xiaomi为材料,通过盆栽试验,研究了谷子不同生育期叶片光合参数、叶绿素含量、非结构性碳、β-淀粉酶基因表达对水分亏缺的响应。结果表明,正常水分条件下安04产量高于豫谷1号,干旱胁迫严重限制了两个谷子品种的产量形成,安04和豫谷1号分别减产71.2%和56.0%,豫谷1号产量显著高于安04。正常水分条件下,安04具有比豫谷1号更高的净光合速率（P<0.05）,干旱胁迫下,豫谷1号叶片净光合速率显著高于安04;叶片蒸腾速率结果同光合结果一致。干旱条件下,豫谷1号具有更高的叶片相对含水量。干旱胁迫显著降低了两个谷子品种花期的叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量,且安04降低幅度均大于豫谷1号。干旱胁迫均显著增加了豫谷1号拔节期和开花期的叶片可溶性糖含量,而安04叶片可溶性糖含量并没有发生显著性变化,同时干旱胁迫显著增加了豫谷1号β-淀粉酶基因SiBAM1的表达水平。施用β-淀粉酶活性抑制剂α-环糊精,xiaomi叶片可溶性糖及脯氨酸含量显著降低,进一步加重了干旱对xiaomi的生长抑制。综上所述,干旱胁迫诱导谷子β-淀粉酶基因表达和β-淀粉酶活性升高从而水解淀粉形成可溶性糖,高可溶性糖含量对谷子提高抗旱性起重要作用。     

转CBF_1基因棉花的耐旱生理研究

以转CBF_1基因棉花及其野生型棉花为材料,设置轻度(900 mL)、中度(400 mL)、重度(300 mL)和对照(1 200mL)浇水处理的不同干旱胁迫和复水处理,考察各种处理后对盆栽植株不同部位叶片光合性能和离体叶片在暗处理条件下叶绿素含量的变化,以及在大田苗期、蕾期、花期、铃期断水胁迫对棉花产量的影响,为转基因抗旱棉花新品种的培育提供理论依据。结果表明:(1)在盆栽试验中,随着干旱胁迫时间的延长和复水3d处理,各浇水处理的转基因和野生型棉花叶片净光合速率(P_n)、原初光能转化效率(F_v/F_m)表现出先降低后增加的变化趋势,受到胁迫后对顶部叶片的影响比中部叶片大,且转基因棉花叶片保留数量显著高于野生型棉花;它们的离体叶片叶绿素a、叶绿素b的含量随着干旱胁迫时间的延长而逐渐下降,但转基因棉花的下降速率显著低于野生型棉花。(2)在田间试验的苗期、蕾期、花期、铃期干旱胁迫下,各干旱胁迫处理的转基因植株的皮棉产量、衣分、种子质量、株高均显著高于野生型棉花;转基因棉花的籽棉产量分别比正常灌溉处理降低了78.4%、55.1%、12.7%、8.3%,野生型棉花则分别降低了80.4%、55.4%、19.2%、14.4%,不同时期的水分胁迫严重影响了棉花籽棉产量,但是转基因棉花的籽棉产量显著高于野生型棉花。研究认为,在不同干旱胁迫条件下,转CBF_1基因棉花表现出优良的生长和生理优势,可提高棉花的耐旱性。     

油菜FBA基因克隆、表达分析及其与抗旱性的关系

为了解果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(fructose-1,6-bisphosphate aldolase,FBA)在油菜抗旱中的作用,揭示油菜干旱胁迫下FBA基因表达量、光合指标、产量等之间的关系,为油菜等作物抗旱性鉴定和抗旱性改良提供依据。以抗旱性强的甘蓝型油菜94005为材料,在初花期进行干旱胁迫处理,以正常浇水作为对照;测定叶片光合参数和FBA酶活性,通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)分析FBA基因的表达量;采用RACE方法对FBA基因进行全长克隆,并对测序结果进行生物信息学分析;复水后生长至成熟期测定产量,分析产量、光合指标、FBA基因表达量等之间的关系。结果表明,随着干旱的加剧,油菜叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、产量均下降,FBA活性和FBA基因的表达量上升。在轻度、中度和重度干旱胁迫下,油菜叶片胞间CO_2浓度(Ci)显著下降,水分利用率(WUE)上升;极度胁迫下,Ci上升,WUE下降;油菜产量、净光合速率与FBA活性和FBA表达量呈显著负相关。FBA基因全长序列1440bp,ORF(开放阅读框)位于60—1172区域,编码370个氨基酸;蛋白分子量为38.51 KDa,等电点6.92;同源性对比显示,甘蓝型油菜FBA基因与拟南芥FBA基因的一致性在87%以上。二级结构预测结果表明FBA蛋白由α-螺旋、无规则卷曲、延伸链以及β-转角组成,4种二级结构元件所占比例分别为43.85%、31.28%、17.60%、7.26%。因此,干旱胁迫下油菜的净光合速率下降、产量降低,随着胁迫的加剧,降低幅度增大。FBA基因与干旱胁迫密切相关,干旱胁迫下,FBA基因主要通过抑制光合、降低蒸腾、促进糖酵解和有氧呼吸等途径来提高植物对干旱胁迫的适应性。     

谷子全生育期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选

作物全生育期抗旱性对发掘和利用抗旱品种和抗旱基因至关重要,但谷子全生育期抗旱鉴定至今未有报道,抗旱鉴定缺乏鉴定指标。本试验在干旱池模拟干旱条件下,对苗期抗旱性表现不同的谷子品种进行了全生育期抗旱性研究,调查分析了根干重等形态和生理性状在干旱胁迫条件下的变化;采用相关和灰色关联度等方法,分析这些指标与抗旱性(DRI)的关系。结果表明,相对根冠比、相对单穗粒重和灌浆期光合速率、蒸腾速率同抗旱性表现极显著相关,可以作为谷子全生育期抗旱性鉴定的指标;而相对根干重、相对单穗重、相对株高和气孔导度则可以作为谷子全生育期抗旱性鉴定的参考指标;在供试的品种中,红根谷和大齐头白表现了良好的综合抗旱性。本文还讨论了抗旱性的复杂性以及不同性状对干旱胁迫的反应,所建立的指标对谷子全生育期抗旱鉴定具有指导意义。     

小麦旗叶和穗光合作用与耐旱性关系研究

研究了土壤干早胁迫下小麦（Triticum aestivum L.）旗叶和穗光合作用的差异及其与耐旱性的关系。结果表明,穗光合活性对干旱胁迫的敏感性低于旗叶叶片。干旱胁迫下。穗光合速率下降幅度远小于叶片,类胡萝卜素含世较高,色素含量、PSI活性下降幅度均小于叶片。且PEPC活性诱导增强,暗示穗器官较叶片有较强的耐逆性。     

德国景天扦插苗对干旱胁迫的生理响应

以耐旱性较强的德国景天(Sedum hybridum)扦插苗为材料进行干旱胁迫处理(60d),并测定其叶片相对含水量、丙二醛含量、细胞伤害率、光合参数(净光合速率、气孔导度、蒸腾速率)、荧光参数(F_v/F_m、q~P、PHiPS2),以及苹果酸含量、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPCase)活性等生理指标。结果显示,干旱胁迫导致德国景天叶片相对含水量、光合参数、荧光参数降低,细胞伤害率、丙二醛含量升高;干旱胁迫30d时,各项生理指标变化幅度较小,但40d后变化幅度显著增加,并且德国景天叶片的苹果酸含量和PEPCase活性显著升高,表明C_3光合途径不断减弱,景天酸代谢(CAM)途径被激活,参与了德国景天对干旱胁迫的响应,提高了其耐旱性;当干旱胁迫达60d时,因超过其耐受范围,德国景天受损严重,逐渐死亡。这说明德国景天在生理上表现出极强的耐旱性,并且具有兼性CAM植物的特征,通过CAM途径活化提高植株耐旱性是德国景天重要的耐旱机理。     

拟南芥耐旱、耐高盐突变体sdt1的获得

在有20000个独立转化株系的拟南芥(Arabidopsis thaliana)激发标签突变体库中,筛选到1 株耐旱、耐盐突变体sdt1(high-salinity and drought tolerant 1)。实验结果表明在连续26d不浇水的干旱胁迫条件下,sdt1可保持正常生长而野生型全部萎蔫死亡。此外,在外施150 mmol/L NaCl水溶液的高盐胁迫条件下．sdt1可正常生长,而野生型全部死亡。在0．5xMS培养基上进行的发芽实验表明sdt1对内源和外施ABA的敏感性均低于野生型,为一个ABA不敏感突变体。对叶片失水率的测定结果表明,在干旱胁迫下sdt1的失水率显著小于野生型。Southern杂交结合sdt1的遗传分析表明该突变体为紧密相邻的2个T-DNA串联插入,对突变的功能基因有待进一步分子鉴定。     

干旱胁迫对转BnDREB1-5基因烟草光合特性的影响

检测了干旱胁迫对烟草(Nicotiana tabacum)叶片光合特性、叶绿素、类胡萝卜素和可溶性糖含量的影响.结果显示,干旱胁迫后转基因烟草的初始荧光(Fo)、非光化学猝灭系数(NPQ)增加幅度明显低于野生型烟草;其它荧光参数降低幅度明显小于野生型烟草;虽然干旱胁迫后两个烟草样品的光合参数、叶绿素含量都有所降低,但转基因烟草的降低幅度明显小于野生型烟草;干旱胁迫后,转基因烟草可溶性糖含量明显高于野生型烟草.表明BnDREB1-5转录因子具有抗干旱胁迫的作用.     

转拟南芥P5CS1基因增强羽衣甘蓝的耐旱性

为提高羽衣甘蓝的耐旱性,本文将拟南芥Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS1）基因经农杆菌介导转入羽衣甘蓝植株中,检测转基因株系与野生型植株在干旱胁迫下P5CS1 mRNA表达量、幼苗脯氨酸含量、株系根系性状、整株干重、鲜重和整株存活率。结果表明,在15%PEG6000渗透胁迫下,转基因植株的P5CS1基因mRNA表达量明显增加,转基因植株脯氨酸含量是野生型的2.4倍;主根长、最长侧根长、侧根数目、整株干重和鲜重均高于野生型,干重/鲜重则低于野生型,转基因植株的平均存活率为78%,极显著高于野生型。数据显示,AtP5CS1基因在羽衣甘蓝中的表达明显改善了转基因植株的耐旱性。     

高粱ATP合成酶E亚基基因(SbATPase-E)的克隆及其抗逆功能研究

高粱是一种抗旱性较强的禾谷类作物。本研究在高粱中克隆到一个全长为693 bp的编码ATP合成酶E亚基的基因(SbATPase-E)。在高粱幼苗期,SbATPase-E基因受Na Cl和脱落酸(ABA)处理诱导上调表达。该基因在拟南芥中过量表达可提高转基因植株的耐旱性和耐盐性,在逆境胁迫条件下转基因拟南芥植株较野生型植株根系发达,可能是转基因植株耐旱性和耐盐性提高的主要原因。在干旱胁迫条件下,转基因植株中DREB2A、P5CS1、RD29A、RAB18和ABI1基因的表达量相对于野生型植株中的表达量提高更为显著;在高盐处理条件下,转基因植株中SOS1和SOS2基因的表达量也较野生型植株中的表达量明显提高。这些抗逆相关基因的上调表达可能是转基因植株抗逆性提高的主要分子机制。     

超表达拟南芥2-烯醛还原酶基因对烟草抗旱性的作用机理分析

为研究是否可以利用2-烯醛还原酶(AER)来清除活性氧下游的醛自由基达到提高植物的抗旱性,以超表达拟南芥AER基因烟草和野生型烟草(SR)为研究材料,利用干旱胁迫处理进行抗旱性分析,测定了干旱胁迫及复水后各个烟草株系的生物量、光合速率、叶绿素荧光参数、叶绿素含量、MDA和H2O2含量等指标。结果显示:(1)干旱胁迫下,转基因烟草株系的生物量、叶绿素含量、净光合速率、PSⅡ最大光化学效率及H2O2的清除能力均显著高于对照;(2)复水之后,烟草植株的各项生理指标都得到一定程度的恢复,而转基因株系相比于野生型恢复迅速,恢复能力更强。研究认为,超表达AER基因可以通过清除活性氧及其下游醛自由基来提高烟草的抗旱能力。     

氮肥后移对抽穗后水分胁迫下冬小麦光合特性及产量的影响

采用子母桶栽土培法模拟冬小麦抽穗后不同的水分胁迫状态,研究了氮肥后移对冬小麦光合特性及产量的影响.设置3个氮肥处理,分别为N₁(基肥∶拔节肥∶开花肥=10∶0∶0)、N₂(6∶4∶0)和N₃(4∶3∶3),模拟冬小麦抽穗后2种水分胁迫(渍水胁迫、干旱胁迫),设正常供水为对照.结果表明：相同供水条件下,N₂和N₃处理较N₁处理显著提高冬小麦灌浆期旗叶的SPAD和光合速率,确保了收获时较高的穗数、穗粒数和地上部分生物量;氮肥后移处理显著提高了冬小麦的耗水量,但其籽粒产量和水分利用效率也显著提高.相同氮肥条件下,干旱胁迫和渍水胁迫处理较正常供水显著降低了冬小麦开花期和灌浆期旗叶的光合速率、千粒重、穗粒数和产量.与正常供水相比,各氮肥条件下干旱胁迫和渍水胁迫处理花后旗叶光合速率及籽粒产量的减小幅度均表现为N₁＞N₂＞N₃.表明氮肥后移通过提高旗叶SPAD、减缓花后旗叶光合速率的下降幅度、增加地上部分干物质积累量,调控产量及其构成要素,以减轻逆境灾害(干旱和渍水胁迫)对产量的影响.     

超表达AVP1基因提高甜菜的耐低磷和耐盐抗旱性

为探讨H⁺-焦磷酸酶编码基因对甜菜磷吸收和抗性的影响,实现优良基因在甜菜基因工程中的利用,研究在甜菜中超表达拟南芥液泡膜H⁺-焦磷酸酶编码基因AVP1,对转基因甜菜分析其耐低磷、耐盐性和抗旱性。结果显示,AVP1基因在甜菜植株的叶片和块根中表达,且在逆境胁迫下增强表达量响应胁迫;低磷处理条件下,转基因甜菜与野生型甜菜相比具有更高的含磷量,可提高甜菜对磷的吸收利用效率;干旱、盐胁迫处理条件下,AVP1基因在转基因甜菜中显著上升,在盐胁迫或干旱处理条件下,转基因植株的生长受抑程度相对较轻。随着盐和干旱胁迫的加剧,转基因植株体内MDA含量与野生型植株相比较低而脯氨酸含量显著增加,AVP1基因可通过减轻逆境对甜菜细胞膜的损伤及提高甜菜细胞的渗透调节能力,进而增强甜菜对高盐和干旱胁迫的抗性。     

紫花苜蓿(Medicago sativa)对干旱胁迫的光合生理响应

紫花苜蓿是重要的豆科牧草,具有较强的抗旱性,然而干旱仍是制约紫花苜蓿生产的主要逆境因子。通过盆栽试验,以抗旱性强弱不同的两种紫花苜蓿为试验材料,对干旱胁迫下紫花苜蓿的光合生理进行较为系统的研究,结果表明：（1）干旱胁迫下两种紫花苜蓿叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、叶绿素含量（Chl）都有不同幅度的下降;叶绿体超微结构遭到破坏。相对于抗旱性弱的苜蓿,抗旱性强的苜蓿随干旱胁迫程度的加深,净光合速率下降较慢,叶绿体的外形及基粒结构受到的影响较小。（2）轻度干旱胁迫下气孔限制是两种紫花苜蓿P。降低的主要因素,中度和重度干旱胁迫下非气孔限制是Pn降低的主要因素。（3）对叶绿素荧光参数的研究表明：干旱胁迫下两种紫花苜蓿PSⅡ反应中心光化学效率（F／F=）、PSⅡ潜在活性（Fv／Fo）降低。总体上抗旱性强的紫花苜蓿Fv／Fm和Fv／Fo下降幅度小,PSⅡ利用光能的能力及PSⅡ的潜在活性均较强。PsⅡ光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（qN）的变化表现为干旱胁迫下两种紫花苜蓿qP值降低、qN值升高,总体上抗旱性强的紫花苜蓿qP降低的幅度低且qN升高幅度大,表明抗旱性强的紫花苜蓿PSⅡ反应中心电子传递活性受到的影响小,光合机构的损伤程度低。     

拟南芥乙烯突变体在干旱胁迫下的形态学差异

为了揭示乙烯在植物与环境相互作用过程中的生物学功能,以拟南芥（Arabidopsis thaliana）的ein2-5、ein3-1、EIN3ox、EIL1ox 4种乙烯突变体与Col-0野生型为材料,对比研究它们在干旱胁迫条件下的生长和形态学变化。研究发现,干旱胁迫导致莲座叶直径、叶片面积、花序、水势等指标发生显著变化,同时不同突变体的形态适应特点呈现显著差异。这些结果表明,乙烯积极参与了植物形态塑造过程,与植物的抗旱性具有紧密相关性。     

紫花苜蓿(Medicago sativa)对干旱胁迫的光合生理响应

紫花苜蓿是重要的豆科牧草,具有较强的抗旱性,然而干旱仍是制约紫花苜蓿生产的主要逆境因子。通过盆栽试验,以抗旱性强弱不同的两种紫花苜蓿为试验材料,对干旱胁迫下紫花苜蓿的光合生理进行较为系统的研究,结果表明：（1）干旱胁迫下两种紫花苜蓿叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率(E)、气孔导度(Gs)、叶绿素含量(Chl)都有不同幅度的下降;叶绿体超微结构遭到破坏。相对于抗旱性弱的苜蓿,抗旱性强的苜蓿随干旱胁迫程度的加深,净光合速率下降较慢,叶绿体的外形及基粒结构受到的影响较小。（2）轻度干旱胁迫下气孔限制是两种紫花苜蓿Pn降低的主要因素,中度和重度干旱胁迫下非气孔限制是Pn降低的主要因素。（3）对叶绿素荧光参数的研究表明：干旱胁迫下两种紫花苜蓿PSⅡ反应中心光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)降低。总体上抗旱性强的紫花苜蓿Fv/Fm和Fv/Fo下降幅度小,PSⅡ利用光能的能力及PSⅡ的潜在活性均较强。PSⅡ光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（qN）的变化表现为干旱胁迫下两种紫花苜蓿qP值降低、qN值升高,总体上抗旱性强的紫花苜蓿qP降低的幅度低且qN升高幅度大,表明抗旱性强的紫花苜蓿PSⅡ反应中心电子传递活性受到的影响小,光合机构的损伤程度低。     

拟南芥干旱相关突变体的远红外筛选及基因克隆

干旱胁迫是影响植物生长发育的主要限制因素之一。到目前为止,许多研究都仅关注于植物对干旱反应的信号转导网络,而对其中一些很重要的中间成分却知之甚少。保卫细胞定位于植物叶片的表皮中,控制二氧化碳的吸收以及水分的散失,已经成为一种高度特化的细胞体系,可用来研究植物早期干旱信号转导机制。控制气孔的开度在提高植物的抗旱性方面具有重要意义。通过使用远红外热成像仪检测植物叶片表面温度的微小差异,我们成功地筛选并获得了拟南芥（Arabidopsis thaliana）干旱敏感突变体doi1。在干旱胁迫条件下,该突变体表现为叶面温度低于野生型,且失水率比野生型高。利用TAIL-PCR技术成功克隆到该突变体基因NCED3,并利用RT-PCR方法验证了TAIL-PCR结果的可靠性。     

干旱胁迫下H_2S信号增强植物叶片的光合作用

干旱胁迫是影响农作物产量最重要的环境因素之一。硫化氢(H_2S)作为第三种气体信号分子在植物体内具有多样且积极的生理功能。目前已了解,H_2S在响应植物干旱胁迫应答以及增强植物光合作用的过程中发挥重要作用,但关于内源性H_2S对干旱胁迫下植物光合作用的调节机制未见报道。该研究以拟南芥哥伦比亚野生型(wild type Col-0,WT)、H_2S产生酶编码基因DES缺失突变体des以及H_2S产生酶编码基因DES过表达突变体OE-DES为实验材料,研究内源性H_2S对干旱胁迫下拟南芥光合作用的调节机制。研究结果显示,植株在正常生长条件下,内源性H_2S促使叶片净光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量显著升高;植株遭受干旱胁迫时,内源性H_2S可以显著上调Rubisco和Rubisco活化酶(Rubisco activase,RCA)的表达水平,保护叶绿体结构的完整性,促使叶片净光合速率显著上升,维持叶片相应的蒸腾速率,并且引起叶片气孔关闭和胞间CO_2浓度显著升高。     

LeERF2基因对旱稻耐盐性的影响

采用T2代转LeERF2基因旱稻(旱297)为材料,研究分蘖期盐胁迫下植株光合性能和生理反应.结果表明,50 mM NaCl胁迫条件下,转基因植株(T)和野生型对照(WT)的各项光合参数差异不明显,但在100 mM NaCl胁迫条件下,转基因植株仍能维持较高的光合速率和气孔导度.随着NaCl胁迫浓度增加,野生型旱稻和转基因旱稻植株叶片SOD活性增加幅度加大,但都表现为转基因植株增幅更明显,而MDA含量则表现为野生型植株增幅更明显,表明LeERF2基因增强了旱稻盐胁迫下抗氧化能力,提高了耐盐性,能维持较高光合速率.     

玉米抗旱突变体edt1抗旱机制的初步解析

为了选育玉米抗旱新品种,并进一步探究玉米应对干旱胁迫的分子调控机制,本研究采用田间抗旱筛选得到的抗旱突变体edt1,分别进行中度和重度2种干旱胁迫处理,并测定相关参数。结果表明:在中度干旱胁迫下,edt1的净光合速率(P_n)显著高于野生型‘郑58’,PSII基因psb A、lhcb3和lhcb4的表达与‘郑58’相比显著增强;在重度干旱胁迫下,edt1的质膜受损程度较轻,PSⅡ的最大光化学效率(F_v/F_m)、叶片相对含水量及活性氧清除均显著高于‘郑58’,抗氧化酶活基因Mn-sod3、apx、cat2及cat3的表达较‘郑58’中均显著增加。以上结果说明,干旱胁迫下,edt1具有较强的光合能力与活性氧清除能力,这与PSII反应中心、捕光复合体及抗氧化酶基因的表达调控密切相关。