水稻莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累轉(zhuǎn)運(yùn)和穎果韌皮部卸載機(jī)理.pdf

1、莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)是水稻籽粒灌漿的同化物來(lái)源之一，對(duì)產(chǎn)量形成有重要貢獻(xiàn)。促進(jìn)莖鞘NSC的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，改善弱勢(shì)粒灌漿是挖掘水稻產(chǎn)量潛力和提高產(chǎn)量的重要途徑。然而，不同水稻品種莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著差異，生產(chǎn)上部分品種莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)低，籽粒灌漿結(jié)實(shí)不良，并且高氮條件下水稻莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)低;此外，水稻弱勢(shì)粒灌漿差，限制了產(chǎn)量潛力的發(fā)揮。因此，本試驗(yàn)主要研究了不同氮水平下水稻莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特征及蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性

2、、強(qiáng)弱勢(shì)粒灌漿特征和籽粒韌皮部卸載特征，目的在于闡明莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運(yùn)差異、強(qiáng)弱勢(shì)粒灌漿差異和籽粒同化物卸載的生理和分子機(jī)理，為高產(chǎn)栽培和育種提供理論依據(jù)，對(duì)保證我國(guó)糧食安全具有十分重要的意義。
　　基于上述研究目的，本研究的主要內(nèi)容是:(1)水稻葉片蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因表達(dá)和活性與植株同化物積累和產(chǎn)量形成的關(guān)系;(2)氮對(duì)水稻莖鞘蔗糖-淀粉轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的影響及其與莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系;(3)水稻穗頸大、小維管束

3、特征的基因型差異及其與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系;(4)水稻莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)與籽粒同化物卸載的基因型差異及其生理和分子機(jī)理;(5)水稻強(qiáng)弱勢(shì)粒灌漿差異及其生理和分子機(jī)理。主要結(jié)果和結(jié)論如下:
　　1.水稻品種兩優(yōu)培九(LYPJ)、汕優(yōu)63(SY63)和黃華占(HHZ)幼穗分化至抽穗不同階段葉片所有SPS基因（OsSPS1、OsSPS2、OsSPS6、OsSPS8和OsSPS11）的相對(duì)表達(dá)量均隨植株生育進(jìn)程推進(jìn)而下降;SPS活性的變化趨勢(shì)

4、與其基因表達(dá)的一致。與高氮處理相比，低氮處理下SPS基因表達(dá)和活性增加。相關(guān)分析表明，SPS基因的相對(duì)表達(dá)量和SPS活性均與葉片NSC濃度顯著正相關(guān);葉片OsSPS1表達(dá)和SPS活性狀態(tài)均與每穗穎花數(shù)和籽粒產(chǎn)量顯著正相關(guān);葉片OsSPS2、OsSPS6和OsSPS8的表達(dá)均與結(jié)實(shí)率和千粒重顯著正相關(guān)。因此，適當(dāng)減少氮肥施用有利于提高SPS基因表達(dá)和活性，進(jìn)而增加植株NSC積累和促進(jìn)產(chǎn)量形成。
　　2.水稻莖鞘NSC積累和轉(zhuǎn)運(yùn)表現(xiàn)出

5、基因型差異且受到氮供應(yīng)水平的影響，低氮處理增加了抽穗前莖鞘淀粉和NSC濃度，加速了抽穗后莖鞘淀粉水解，促進(jìn)了莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)。同時(shí)，低氮處理縮短了強(qiáng)勢(shì)粒有效灌漿期，提高了其灌漿速率。進(jìn)一步分析表明，低氮處理增加了花前莖鞘淀粉合成相關(guān)的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性以及花后莖鞘淀粉向蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)的α-淀粉酶、β-淀粉酶和SPS的活性，并且這些淀粉合成相關(guān)酶活性與莖鞘NSC濃度的增加顯著正相關(guān)，淀粉向蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活

6、性與莖鞘淀粉和NSC轉(zhuǎn)運(yùn)顯著正相關(guān)。與LYPJ相比，SY63的莖鞘淀粉和NSC的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)高，并且上述淀粉合成和淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶的活性均高于LYPJ。由此可見，高的莖鞘NSC積累與轉(zhuǎn)運(yùn)主要?dú)w因于較高的莖鞘淀粉-蔗糖轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性。在生產(chǎn)上適當(dāng)降低氮肥用量，有利于莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)而促進(jìn)籽粒灌漿。
　　3.源于珍汕97和明恢63重組自交系的4家系材料R46、R94、R118和R232穗頸大、小維管束數(shù)量和總橫截面積表現(xiàn)出基因型差異

7、。維管束特征的基因型差異主要表現(xiàn)在大、小維管束數(shù)量上，不同材料穗頸大、小維管束的平均橫截面積及其韌皮部面積分別占其橫截面積的比值均沒有差異。不同氮處理對(duì)穗頸大、小維管束數(shù)量、平均橫截面積、總橫截面積和總韌皮部面積沒有影響。穗頸維管束數(shù)量與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)、結(jié)實(shí)率、千粒重和產(chǎn)量正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)表明小維管束與莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)更加密切，大、小維管束韌皮部的功能差異可能是造成他們對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)差異的原因。因此，在育種上選擇穗頸維管束多且小維管束多的品種

8、或采用栽培管理技術(shù)增加穗頸維管束的數(shù)量有利于促進(jìn)莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量形成。
　　4.源于珍汕97和明恢63的重組自交系家系R91、R156和R201的莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)具有顯著差異。R201的莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)顯著低于R91和R156，并且R201的結(jié)實(shí)率、收獲指數(shù)和產(chǎn)量均顯著低于R91和R156。從源-流-庫(kù)相關(guān)性狀分析表明，三個(gè)家系具有相同的葉面積指數(shù)、比葉重、抽穗期莖鞘NSC濃度、生物量、單位面積穗數(shù)、每穗穎花數(shù)、莖鞘NSC活化能力

9、、庫(kù)容量、庫(kù)活性、穗頸小維管束數(shù)量和橫截面積，而R201具有較高的葉片SPAD、穗頸大維管束數(shù)量和橫截面積。另外，R201成熟期莖鞘和枝梗NSC濃度顯著高于R91和R156。這些結(jié)果表明，源-流-庫(kù)相關(guān)性狀不是導(dǎo)致R201莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)低的原因，籽粒NSC卸載過(guò)程存在障礙可能是主要原因。
　　5.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)R201灌漿期籽粒背部韌皮部篩管、伴胞與其周圍薄壁細(xì)胞間的胞間連絲密度低于R91和R156，同時(shí)利用羧基熒光素二乙酸(CF

10、DA)染料模擬韌皮部共質(zhì)體運(yùn)輸發(fā)現(xiàn)R201籽粒韌皮部共質(zhì)體卸載較弱。對(duì)三個(gè)材料灌漿期籽粒蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUT)和細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶(CWI)的免疫印跡、免疫組化和基因表達(dá)分析表明，R201籽粒SUT和CWI基因和蛋白的表達(dá)低于R91和R156，同時(shí)R201籽粒CWI酶活性較低，表明其質(zhì)外體卸載較弱。由此可見，灌漿期R201籽粒蔗糖卸載障礙導(dǎo)致其莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)低，進(jìn)而造成其結(jié)實(shí)率、收獲指數(shù)和產(chǎn)量低。
　　6.雜交稻LYPJ和SY63強(qiáng)、弱

11、勢(shì)粒灌漿差異顯著，弱勢(shì)粒灌漿啟動(dòng)慢、有效灌漿期長(zhǎng)、平均灌漿速率低，最終導(dǎo)致其粒重和結(jié)實(shí)率顯著低于強(qiáng)勢(shì)粒。不同氮處理對(duì)強(qiáng)、弱勢(shì)粒的粒重和結(jié)實(shí)率沒有影響。高氮處理延長(zhǎng)了強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒有效灌漿期，同時(shí)降低了其灌漿速率。進(jìn)一步研究表明，一方面強(qiáng)勢(shì)粒枝梗的橫截面積、總維管束面積和總韌皮部面積大于弱勢(shì)粒。另一方面，強(qiáng)勢(shì)粒背部韌皮部細(xì)胞間胞間連絲密度、CFDA模擬的共質(zhì)體卸載速率、SUT和CWI基因和蛋白表達(dá)和CWI活性高于弱勢(shì)粒，表明強(qiáng)勢(shì)粒韌皮部蔗