低温下冬小麦糖积累及代谢关键酶表达的研究

论文摘要

植物在经历低温驯化时会积累可溶性糖,从而提高植物的抗寒能力。东农冬麦1号是我国首例能够抵御黑龙江省冬季-25-30℃严寒的强抗寒冬小麦新品种,返青率在85%以上,其在冷驯化阶段有明显的糖积累现象。济麦22是我国华北广泛种植的小麦品种,具有较强的抗寒能力,但不能在黑龙江省过冬。本试验以这两种小麦为实验材料,在秋冬季降温过程中检测糖类物质含量;并利用实时定量PCR技术测定了各取样温度下叶片及分蘖节中糖代谢关键酶基因表达水平,以期了解低温对冬小麦糖代谢调控的生理及分子机制,为揭示东农冬麦1号的强抗寒机制提供新的研究思路。研究结果如下:（1）两品种冬小麦可溶性糖含量呈先增大后减小趋势,最高值出现在-1℃时。东农冬麦1号的可溶性糖含量在整体上大于济麦22,且-10℃以下比济麦22稳定,有利于该品种获得更强抗寒性。（2）蔗糖和果糖是可溶性总糖的主要成分,二者含量随温度降低呈先增大后减小的趋势,与可溶性总糖变化规律相似。东农冬麦1号比济麦22积累了更多的蔗糖和果糖。（3）卡尔文循环中的三种酶,核酮糖二磷酸羧化酶（RBC）、果糖- 1,6 -二磷酸酶（FBP）、磷酸核酮糖激酶（PRK）的基因在东农冬麦1号分蘖节中表达变化趋势相似,前期表达量增加,在-1℃达到最高值（分别增加到4.9,8.1,12.6倍）,之后有所下降;而在济麦22分蘖节中峰值出现在-12℃时,比东农冬麦1号晚,且升幅小于东农冬麦1号。东农冬麦1号叶片中这三种酶基因表达量呈总体下降趋势,但初始表达量（8℃时）却高于济麦22。这三种酶在叶片中的高表达有助于植物光合积累碳水化合物。（4）叶片及分蘖节中的UDPG焦磷酸化酶基因（TaUGP）及分蘖节中蔗糖合成酶基因（TaSS）在-1℃以下表达量有所降低,叶片中的TaSS在-1℃时有近两倍的上升,有利于蔗糖的合成。TaSPS的表达都有较大峰值,但上调出现较晚（在-12℃时）,但其反应产物（蔗糖）含量在这一时期呈降低趋势。（5）丙糖磷酸转运器（TPT）基因的表达量在两品种分蘖节中都有上调峰值,但济麦22中峰值的出现晚于东农冬麦1号,这与卡尔文循环中的酶表现一致,而其在两品种叶片中都成下降趋势（济麦22在-26℃时有回升）。两品种分蘖节和叶片中丙酮酸激酶（PK）基因的表达量都在-1℃时达到最大值,促进-1℃时小麦糖酵解速率的增加。（6）由酶基因表达与糖含量的相关分析知,TaRBC、TaFBP、TaPRK及TaTPT四者之间相关性较高,可能受到一致的表达调节作用。在叶片中,TaUGP与蔗糖、TaPK与可溶性总糖及蔗糖含量有较强的相关性。综合以上实验结果可知,当温度在8℃至-1℃范围内,东农冬麦1号中光合作用相关基因（TaRBC、TaFBP、TaPRK及TaTPT）及糖代谢关键酶基因（TaSS）表达量较高,有助于植物积累可溶性糖;同时TaPK表达量的增加也会加快糖的分解。随着温度降低,各种酶基因表达量相继减小,糖含量也呈降低趋势。强的糖积累与保持能力是东农冬麦1号具有更强抗寒性的一个重要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 低温下植物糖代谢研究进展
• 1.1.1 植物低温伤害的机制
• 1.1.2 低温下植物的糖积累
• 1.1.3 植物糖信号的研究
• 1.1.4 参与糖积累过程的关键代谢酶概述
• 1.2 小麦抗寒研究现状
• 1.2.1 低温下小麦生理变化
• 1.2.2 低温下冬小麦分子水平的研究
• 1.3 实时定量PCR 在基因表达检测中的应用
• 1.3.1 实时定量PCR 的检测原理
• 1.3.2 实时定量PCR 的定量方法
• 1.3.3 实时定量PCR 技术的应用
• 1.4 研究目的及意义
• 2. 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 田间设计和取材时期
• 2.3 试验仪器与试剂
• 2.3.1 试验仪器
• 2.3.2 试剂
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 样品干湿重的测定
• 2.4.2 低温伤害程度测定（电导法）
• 2.4.3 可溶性糖含量的测定
• 2.4.4 蔗糖含量的测定
• 2.4.5 果糖含量的测定
• 2.4.6 葡萄糖含量的测定
• 2.4.7 淀粉含量的测定
• 2.4.8 各基因引物的设计
• 2.4.9 样品总RNA 的提取
• 2.4.10 用DNaseⅠ（RNase free）处理样品RNA
• 2.4.11 实时定量PCR 检测
• 2.5 技术路线
• 3. 试验结果
• 3.1 干湿重比值变化
• 3.2 相对电导率变化
• 3.3 低温下碳水化合物含量变化
• 3.3.1 可溶性糖含量变化
• 3.3.2 蔗糖含量变化
• 3.3.3 果糖含量变化
• 3.3.4 葡萄糖与淀粉含量变化
• 3.3.5 蔗糖和果糖占可溶性总糖的比例
• 3.3.6 各种糖含量间的相关分析
• 3.4 低温下糖代谢关键酶表达量变化
• 3.4.1 关键酶基因引物的设计
• 3.4.2 样品RNA 提取及反转录
• 3.4.3 DNase I 处理效果检测及引物特异性检测
• 3.4.4 不同品种和器官的AEL 水平
• 3.4.5 TaRBC、TaFBP、TaPRK 表达变化
• 3.4.6 TaUGP、TaSS、TaSPS 表达变化
• 3.4.7 TaTPT、TaPK 表达变化
• 3.4.8 酶基因表达的相关分析
• 3.4.9 酶基因表达与糖含量的相关分析
• 4. 讨论
• 4.1 糖含量与冬小麦抗寒性
• 4.2 低温下糖的积累与消耗
• 4.3 蔗糖积累有关酶的表达变化
• 4.4 编码卡尔文循环酶基因的表达变化
• 5. 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文