用非侵害性新技术识别调控小麦根吸收硝酸盐的信号分子的研究

论文摘要

氮是植物必需的一种大量元素,而硝酸盐作为植物根系吸收无机氮的主要来源之一,其吸收的信号调控则是植物氮素营养研究的热点问题。小麦是最重要的粮食作物之一,提高其氮的利用率对于增加粮食产量、减少化肥浪费和保护环境均具有重要意义。为识别调控小麦根系吸收硝酸豁的信号分子（包括正向前馈和负反馈信号分子）,本研究采取了一种非侵害性的新技术用于测定硝酸盐净吸收量的变化。该技术是以正常生长的完整植株为实验材料,同时使测量具有实时监测性,为正确识别信号分子提供了可能。为识别调控硝酸盐吸收的正向前馈信号分子,本文研究了光照和碳水化合物对硝酸盐净吸收量影响的实时变化。对于很多物种而言,地上部接受光照可以增加根系对硝酸盐的吸收,其机理可能是通过一种从韧皮部运输到根部的信号分子起作用的,这个信号分子最可能是一种糖。为识别该信号分子,我们比较了各种碳水化合物对小麦根系硝酸盐净吸收量影响的差异性,预期作为信号分子的糖,对硝酸盐净吸收量的影响应该比其他糖更迅速、更大。在分别添加10种碳水化合物（9种糖以及甘露醇）后,发现只有蔗糖可以迅速引起硝酸盐净吸收量的增加,且比其他糖的作用更大,满足识别根部信号分子的标准。葡萄糖、果糖和棉子糖在经过一段或长或短的时滞后,可以引起较小的反应,L-和D-5可拉伯糖、半乳糖、乳糖和甘露醇几乎没有影响,而甘露糖由于独特的生化特性,引起了硝酸盐净吸收量的减小。为进一步弄清楚光照和蔗糖对硝酸盐吸收量的影响是否是通过同一机制作用的,本文又研究了光照和蔗糖的叠加作用。结果表明,在光照条件下添加外源蔗糖,硝酸盐净吸收量增加的比例比在黑暗条件下要小,暗示了光照与添加外源蔗糖对硝酸盐吸收的影响具有叠加相应,表明两者是通过同一个信号分子发生作用的,这个信号子最可能是根部细胞质中的蔗糖。从结果可知,蔗糖具有调控根吸收硝酸盐的信号分子的特征,而光照和添加外源蔗糖之间的相互作用为这一猜测提供了证据,表明给植株光照是通过韧皮部运输到根部的蔗糖来影响硝酸盐的吸收。本研究首次直接证明了蔗糖作为一种从光合作用到硝酸盐吸收的正向前馈信号分子起作用。事实上,这种前馈信号分子还需要和其他类型的信号分子（主要是负反馈信号分子）相互作用从而克服境的干扰。为识别调控硝酸盐吸收的负反馈信号分子,我们筛选并研究了13种氨基酸对小麦硝酸盐净吸收量影响的实时变化。结果表明,添加谷氨酸后,硝酸盐的吸收经过10 min的时滞后就迅速减小甚至变为负值;添加天冬氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、精氨酸、丝氨酸和赖氨酸后,硝酸盐吸收经过0.5-1.5 h的时滞后才开始减少;其他氨基酸的影响很小或甚至没有影响。由此可以推测谷氨酸最可能作为负反馈信号分子起作用,原因在于添加谷氨酸后,硝酸盐吸收量的变化速度最快且变化量较大。谷氨酸作为一种负反馈调控,与蔗糖相比对硝酸盐吸收的影响较小,在植物体内协助蔗糖这种正向前馈信号分子从而共同调控小麦根系对硝酸盐的吸收。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.2 硝酸盐吸收的背景知识
• 1.3 硝酸盐吸收调控的相关研究
• 1.4 研究目的、内容与思路
• 1.5 关键技术及其可行性分析
• 1.6 本章总结
• 2 材料和方法
• 2.1 生长设备和分析仪器
• 2.2 化学试剂
• 2.3 实验材料与植物培养
• 2.4 非侵害性新技术
• 2.5 实验的重复性和数据的统计学分析
• 2.6 硝酸根离子分析仪的使用
• 3 正向前馈调控
• 3.1 引言
• 3.2 光照处理和添加碳水化合物
• 3.3 结果分析
• 3.4 讨论
• 3.5 本章总结
• 4 负反馈调控
• 4.1 引言
• 4.2 氨基酸处理
• 4.3 结果分析
• 4.4 讨论
• 4.5 本章总结
• 5 全文总结
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 特色与创新之处
• 5.3 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间撰写文章
• 附录2 LONG ASHTON营养液配方
• 附录3 中英文对照与缩略词表