冬小麦氨基酸代谢与抗旱性关系的研究

论文摘要

生物节水是节水农业的重要发展方向,耐旱和高水分利用品种、生理节水调控和节水型农作制度是生物节水的核心内容,提高水分利用效率是生物节水的终极目标,其中培育耐旱和高水分利用效率的抗旱节水高产新品种是关键,因此建立可行、科学、稳定的小麦抗旱、高WUE品种选育的鉴定指标是最终实现生物节水的首要诉诸手段。为了探索氨基酸代谢与小麦抗旱性之间的关系,以及是否氨基酸代谢可以作为小麦抗旱育种的鉴定指标,本研究首先根据碳同位素判别值及实际抗旱情况选取冬小麦试验材料;其次应用氮稳定同位素示踪技术,利用GC-MS、GC-C-IRMS等仪器分析了拔节期土壤含水量85%供水条件下不同抗旱性小麦氨基酸氮同位素丰度的动态变化,以此来推断氨基酸合成代谢的动态变化,比较了不同品种氨基酸合成代谢的差异;最后比较了对照品种和施用氮同位素肥料碳稳定同位素的变化。通过对冬小麦籽粒碳稳定同位素的分析以及不同抗旱性小麦拔节期土壤含水量85%供水条件下的氮同化及氨基酸代谢等方面的研究与分析,主要得出以下结论:（1）不同基因型冬小麦籽粒碳稳定同位素分辨率（△‰）不同,大体分布范围在18‰至21‰之间,并且强抗旱品种和弱抗旱品种的△‰有极显著差异。（2）通过对拔节期土壤含水量85%供水条件下不同小麦品种,氮同化和氨基酸代谢的动力学的研究,结果表明:从施入氮同位素肥料后的10min-24h整个时间段来看,强抗旱品种对氮的同化效率要极显著高于中等抗旱和弱抗旱品种,而中等抗旱和弱抗旱品种之间在本研究中没有明显的规律;强抗旱品种的氮吸收速率极显著高于中等抗旱和弱抗旱品种,强抗旱品种间也存在差异,中等抗旱品种和弱抗旱品种之间的氮吸收速率在本研究中没有显著差异;强抗旱品种和中等抗旱品种氨基酸δ15N 24h内呈线性增长,而弱抗旱品种在3h-24h基本维持稳定;24h内蛋白质氨基酸的含量处于升高-降低的动态平衡之中;三个强抗旱品种百农9310、临汾50744、W98中18的谷氨酸/谷氨酰胺、天冬氨酸/天冬酰胺、丝氨酸、甘氨酸δ15N在施入15NH4+24h内的升高要远远超过中等抗旱品种和弱抗旱品种,而中等抗旱品种要高于弱抗旱品种;缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、赖氨酸等那些合成比较缓慢的氨基酸δ15N的改变程度也是强抗旱品种要高于中等抗旱和弱抗旱品种。（3）通过分析不同小麦品种拔节期施用（15NH4）2SO4肥料后叶片碳同位素组成的动态变化,以及分析北农5号施用（15NH4）2SO4肥料和（NH4）2SO4肥料后叶片氨基酸碳同位素组成的动态变化,结果发现:同一品种在10min-24h内叶片的δ13C值有一个波动范围,但是没有显著变化趋势;不同品种δ13C值的变化是不同的;从本研究δ13C值表征的WUE的变化来看,小麦品种的抗旱性强弱和瞬时WUE的高低并不是完全相吻合的,也就是单个叶片的δ13C值与瞬时WUE的相关性较差;北农5号施入（15NH4）2SO4肥料和（NH4）2SO4肥料其氨基酸δ13C值变化呈现相反的趋势,并且变化范围也不同;缬氨酸δ13C值极显著升高,而施用14N-肥料δ13C的增加只有施用15N-肥料δ13C的增加值的34.7%。从上述研究结果可以看出,强抗旱、中等抗旱、弱抗旱冬小麦品种在拔节期土壤含水量85%供水条件下其氨基酸的合成代谢动态具有显著差异,因此,氨基酸代谢动态可以作为拔节期冬小麦抗旱性的鉴定指标,这个指标的确定对于小麦抗旱品种的早期筛选具有重要的理论意义和现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 作物抗旱性机理及其研究进展
• 1.1.1 作物抗旱性的概念
• 1.1.2 作物抗旱机理的研究进展
• 1.1.3 作物抗旱性鉴定评价技术体系
• 1.2 生物节水及其研究进展
• 1.2.1 生物节水的内涵
• 1.2.2 生物节水的研究进展
• 1.2.3 作物节水性和抗旱性的辨证统一
• 1.2.4 作物抗旱节水新品种选育
• 1.2.5 作物抗旱节水的鉴定评价技术体系
• 1.2.6 抗旱鉴定指标存在的问题
• 1.3 植物氮代谢
• 1.3.1 氨的同化
• 1.3.2 氨基酸的分类
• 1.3.3 氨基酸合成与代谢
• 1.3.4 氨基酸的代谢
• 1.3.5 氨基酸在逆境胁迫中的作用
• 1.4 稳定同位素技术的原理和应用
• 1.4.1 稳定同位素技术的原理
• 1.4.2 稳定同位素的应用
• 1.5 植物代谢组学的发展
• 1.6 本论文研究思路及拟解决的科学问题
• 第二章 不同基因型冬小麦的碳稳定同位素分辨率的研究
• 2.1 试验材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 不同小麦品种碳稳定同位素分辨率分析
• 2.2.2 已知抗旱性情况的冬小麦籽粒碳同位素分辨率的分布及显著性分析
• 2.2.3 冬小麦试验材料的选择
• 2.3 讨论
• 2.3.1 冬小麦籽粒碳稳定同位素与其抗旱性的关系
• 2.3.2 冬小麦籽粒碳稳定同位素分辨率作为育种筛选指标的可行性
• 2.4 小结
• 第三章 气相色谱-质谱分析氨基酸含量
• 3.1 试验材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 仪器与试剂
• 3.1.3 试验方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 氨基酸标准溶液和小麦样品的分析
• 3.2.2 线性关系、回收率、精密度和稳定性实验
• 3.2.3 小麦籽粒氨基酸分析
• 3.3 讨论
• 3.3.1 氨基酸分析方法的多样化
• 3.3.2 氨基酸定量分析的相对性和绝对性
• 3.4 小结
• 第四章 气相色谱-燃烧-同位素比值质谱仪测定氨基酸碳氮稳定同位素
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 仪器与试剂
• 4.1.2 供试小麦品种
• 4.1.3 实验方法
• 4.1.4 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 13C 分析'>4.2.1 标准氨基酸混合物的δ¹³C 分析
• 15N 分析'>4.2.2 标准氨基酸混合物的δ¹⁵N 分析
• 13C 和δ¹⁵N 分析'>4.2.3 小麦籽粒氨基酸的δ¹³C 和δ¹⁵N 分析
• 4.3 讨论
• 4.3.1 氨基酸衍生化方法的探讨
• 4.3.2 氨基酸衍生化对氨基酸碳氮稳定同位素比值的影响..
• 4.4 小结
• 第五章 拔节期小麦叶片氨基酸代谢动态研究
• 5.1 试验材料与方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验方法
• 5.1.3 数据处理
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 氮同化进入谷氨酸/谷氨酰胺合成途径的分析
• 15NH₄₂SO₄ 肥料的吸收速率分析'>5.2.2 不同小麦品种对(¹⁵NH₄₂SO₄肥料的吸收速率分析
• 5.2.3 不同小麦品种施入氮肥后氨基酸代谢动态研究
• 15N 进入不同品种的氨基酸合成途径的比较'>5.2.4 外源¹⁵N 进入不同品种的氨基酸合成途径的比较
• 5.3 讨论
• 5.3.1 蛋白质氨基酸分析的局限性
• 5.3.2 外源氮进入氨基酸的判断标准
• 5.3.3 对照小麦品种氨基酸氮同位素丰度的变异
• 5.4 小结
• 第六章 拔节期小麦叶片碳稳定同位素动态变化研究
• 6.1 试验材料与方法
• 6.1.1 试验材料
• 6.1.2 试验方法
• 6.2 结果与分析
• 13C)的动态变化'>6.2.1 小麦叶片碳同位素组成(δ¹³C)的动态变化
• 6.2.2 小麦叶片氨基酸碳稳定同位素组成的动态变化
• 13C 值的变异'>6.2.3 蛋氨酸δ¹³C 值的变异
• 6.3 讨论
• 13C 与植物水分利用效率的辨证关系'>6.3.1 δ¹³C 与植物水分利用效率的辨证关系
• 6.3.2 氮代谢与氨基酸碳同位素组成的变化
• 13C 值的特殊性'>6.3.3 蛋氨酸δ¹³C 值的特殊性
• 6.4 小结
• 第七章 讨论与结论
• 7.1 讨论
• 7.1.1 多氮源性对作物氨基酸氮稳定同位素丰度变异的影响
• 7.1.2 氨基酸代谢作为作物抗旱指标的可行性
• 7.1.3 氨基酸代谢与氮肥利用效率
• 7.1.4 抗旱、高 WUE、高产的统一
• 7.2 研究中存在的问题
• 7.2.1 氨基酸回收率有待于提高
• 7.2.2 盆栽试验与大田试验的结合
• 7.3.3 WUE 数据的缺失
• 7.3.4 土壤背景值缺失
• 7.3 进一步展望
• 7.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历