低磷胁迫下不同磷效率玉米叶片吸收光能分配的差异与叶片蛋白质组学研究

论文摘要

本工作以耐低磷突变体99038-2P-319及其来源亲本齐319为材料,利用水培的方法,研究了不同供磷水平下玉米叶片吸收光能分配的差异,并对自交系99038-2P-319与齐319的叶片进行了足磷和低磷条件下的比较蛋白质组学研究,为揭示玉米叶片响应低磷的机制提供了资料,探讨了低磷下自交系99038-2P-319与齐319光合作用效率差异的可能机制。低磷胁迫下,自交系99038-2P-319与齐319植株的生物量、植株总磷含量存在显著差异。除此以外,叶片叶绿素含量及Chla/Chlb比值显著下降。自交系间比较,自交系99038-2P-319的下降幅度显著低于自交系齐319。低磷胁迫下玉米叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率也显著下降,胞间CO2浓度升高。低磷下玉米叶片光合速率的降低可能由非气孔因素引起的。低磷胁迫下自交系99038-2P-319与齐319具有不同的光合作用特征。低磷胁迫下,自交系99038-2P-319的叶片的CO2同化速率显著高于自交系齐319,白交系99038-2P-319与齐319相比具有更高的叶片PSⅡ的光化学效率（Fv/Fm）及电子传递速率（ETR）。低磷胁迫导致玉米叶绿素吸收的光能的分配比例发生了变化。低磷胁迫下与足磷条件下的玉米叶片相比进入光化学反应的能量显著下降,而过剩光能显著升高。低磷胁迫下,自交系99038-2P-319吸收光能分配于光化学反应的部分显著高于自交系齐319,通过热耗散散失的能量要小于319。低磷下自交系99038-2P-319吸收光能分配于光化学反应的部分更多一些,这与低磷下99038-2P-319具有更高的电子传递速率（ETR）和CO2同化速率相一致。低磷胁迫导致玉米叶片内ROS含量显著增加,且通过活性氧清除系统对ROS清除的作用加强。低磷胁迫下自交系99038-2P-319与齐319相比,99038-2P-319叶片内ROS含量较低,但叶片中SOD与APX的活性两个自交系之间差异不显著。在相同供磷水平下,自交系99038-2P-319叶片中的无机磷含量高于齐319。推测苗期叶片中无机磷含量的差异可能是导致不同磷效率玉米自交系之间光合特性差异的主要原因。同等供磷水平下,99038-2P-319与齐319叶片的一部分蛋白表达模式产生了的差异。利用TCA/丙酮法提取叶片可溶性总蛋白,通过质谱分析鉴定发现126个蛋白在同等供磷水平下表达模式存在显著的差异。这些蛋白点包括了8个未知或未分类蛋白、19个蛋白命运相关蛋白、7个细胞营救/防御/毒性蛋白、6个次生代谢相关蛋白、24个能量代谢相关蛋白、57个代谢相关蛋白、5个转录/细胞交流/信号转导相关蛋白。低磷胁迫下与光合作用相关的蛋白Rubisco大亚基、叶绿体ATP合酶亚基、NADP-苹果酸酶、蔗糖磷酸酶、PPDK等在99038-2P-319叶片中的丰度较齐319高,推测这些蛋白表达模式的变化是导致在低磷胁迫下99038-2P-319叶片CO2同化能力高于齐319的重要因素。低磷胁迫下一些防御性蛋白如分子伴侣等在99038-2P-319叶片中的丰度也显著高于齐319。此外,低磷胁迫下参与次生代谢、信号转导和转录调控等过程的一些蛋白在99038-2P-319叶片中的丰度也发生了显著变化。这些结果从蛋白水平上表明玉米叶片耐响应低磷的机制可能是涉及多个代谢途径的复杂过程。研究结果为以后深入了解玉米叶片的低磷响应机制,进行低磷下玉米高光效的分子育种提供参考资料。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一部分 前言
• 1.1 磷元素是植物生长的必需元素
• 1.1.1 磷在植物体内的存在形式及分布
• 1.1.2 磷对植物生长的重要作用
• 1.2 土壤速效磷供应状态
• 1.2.1 磷在土壤中难以被利用
• 1.2.2 磷肥的使用
• 1.3 植物耐低磷机制研究进展
• 1.3.1 加强外源有效磷的吸收
• 1.3.1.1 植物根系形态学变化
• 1.3.1.2 酸性磷酸酶的诱导产生
• 1.3.1.3 根系有机酸的诱导和分泌
• 1.3.1.4 磷转运体的诱导产生
• 1.3.2 植物调整代谢反应以加强磷循环利用
• 1.3.2.1 细胞呼吸途径的调节
• 1.3.2.1.1 低磷胁迫对糖酵解的影响
• 1.3.2.1.2 低磷胁迫对线粒体呼吸的影响
• 1.3.2.2.低磷胁迫下膜脂成分的变化
• 1.3.2.3.低磷下淀粉的积累
• 1.3.3.磷的再分配与磷稳态的保持
• 1.3.4 植物响应低磷胁迫的分子机制
• 1.4 磷对植物光合作用的影响
• 1.4.1 磷营养与光合作用的关系
• 1.4.1.1 低磷胁迫对卡尔文循环的酶及RuBP再生的影响
• 1.4.1.2 低磷胁迫对同化力生成的影响
• 1.4.1.3 低磷对叶片光合电子传递及光能转换效率的影响
• 1.4.1.4 低磷对光合作用同化物的运输及分配的影响
• 1.4.2 低磷条件下植物光抑制与保护机制
• 1.5 植物蛋白质组学
• 1.5.3 植物蛋白质组学研究进展
• 1.5.3.1 植物生物胁迫蛋白组学研究
• 1.5.3.2 植物非生物胁迫蛋白组学
• 1.5.3.2.1 磷胁迫蛋白质组学
• 1.5.4 玉米蛋白质组学研究进展
• 1.6 本研究的目的与意义
• 第二部分 低磷胁迫下自交系99038-2P-319和齐319叶片吸收光能分配的差异
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验方法
• 2.1.2.1 植株生物量、总磷含量、叶片无机磷含量的测定
• 2.1.2.2 叶片叶绿素含量的测定
• 2O₂含量、SOD、APX活性的测定'>2.1.2.3 叶片氧自由基产生速率、H₂O₂含量、SOD、APX活性的测定
• 2^-）产生速率的检测'>2.1.2.3.1 氧自由基（O₂^-）产生速率的检测
• 2O₂含量的测定'>2.1.2.3.2 H₂O₂含量的测定
• 2.1.2.3.3 SOD、APX活性的测定
• 2.1.2.4 叶片光合作用与叶绿素荧光参数的测定
• 2.1.2.5 ATP含量的测定
• 2.1.3 数据分析
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 玉米自交系99038-2P-319与齐319磷营养特征
• 2.2.1.1 低磷胁迫对99038-2P-319与齐319生长的影响
• 2.2.1.2 低磷胁迫对99038-2P-319与齐319植株磷含量的影响
• 2.2.2 低磷胁迫对玉米自交系99038-2P-319与齐319叶片光合作用的影响
• 2.2.2.1 低磷胁迫对99038-2P-319与齐319叶片叶绿素含量的影响
• 2.2.2.2 低磷胁迫对玉米自交系99038-2P-319与齐319叶片光合作用的影响
• 2.2.2.3 低磷胁迫对玉米99038-2P-319与齐319叶绿素荧光参数的影响
• 2.2.2.4 低磷胁迫对玉米自交系99038-2P-319与齐319 PSⅡ光能分配的影响
• 2_O2含量及SOD,APX活性的影响'>2.2.2.5 低磷胁迫对玉米自交系99038-2P-319与齐319叶片氧自由基产生速率、H_2O2含量及SOD,APX活性的影响
• 2.2.2.6 低磷胁迫对玉米自交系99038-2P-319与齐319叶片ATP含量的影响
• 2.3 讨论
• 第三部分 低磷胁迫下齐319与99038-2P-319叶片比较蛋白组学的研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.2.1 叶片蛋白质样品的制备
• 3.1.2.2 蛋白质定量分析
• 3.1.2.3 叶片蛋白质双向电泳分析
• 3.1.2.3.1 水化与等电聚焦
• 3.1.2.3.2 胶条的平衡
• 3.1.2.3.3 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳
• 3.1.2.3.4 凝胶染色
• 3.1.2.3.5 图像的获得与分析
• 3.1.2.4 差异蛋白点的质谱鉴定
• 3.1.2.4.1 蛋白点的酶解制样
• 3.1.2.4.2 肽指纹图谱的获得
• 3.1.2.4.3 蛋白数据库的搜索鉴定
• 3.1.2.5 质谱鉴定的差异表达蛋白的功能分类
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 叶片比较蛋白组学的双向电泳分析
• 3.2.2 叶片差异蛋白的质谱鉴定分析
• 3.2.2.1 低磷影响了玉米的光合作用
• 3.2.2.1.1 不同磷效率自交系间卡尔文循环相关的酶表达的差异
• 2的吸收影响的差异'>3.2.2.1.2 不同磷效率玉米叶片CO₂的吸收影响的差异
• 3.2.2.1.3 不同磷效率玉米叶片叶绿素的含量的差异
• 3.2.2.1.4 不同磷效率玉米叶片叶绿体中同化物的分配的差异
• 3.2.2.1.5 不同磷效率玉米叶片卡尔文循环中RuBP再生的差异
• 3.2.2.1.6 不同磷效率玉米类囊体中的几种蛋白的表达差异
• 3.2.2.2 不同磷效率玉米生物膜膜脂成分的差异
• 3.2.2.3 不同磷效率玉米能量代谢相关蛋白的差异
• 3.2.2.3.1 糖酵解途径
• 3.2.2.3.2 三羧酸循环
• 3.2.2.3.3 ATP合成
• 3.2.2.3.4 磷酸戊糖途径
• 3.2.2.4 不同磷效率玉米液泡ATPase的表达差异
• 3.2.2.5 不同磷效率玉米分子伴侣蛋白及抗性蛋白表达的差异
• 3.2.2.6 不同磷效率玉米次生代谢物质合成相关酶的差异
• 3.2.2.7 不同磷效率玉米一些转录调控,蛋白质合成及蛋白降解相关蛋白的表达差异
• 3.2.2.7.1 调控相关蛋白的差异
• 3.2.2.7.2 蛋白质合成相关蛋白的差异
• 3.2.2.7.3 蛋白降解相关蛋白的差异
• 3.2.2.8 DNA合成、修复相关蛋白
• 3.2.2.9 其它
• 3.2.3 质谱鉴定蛋白的功能分类
• 3.3 讨论
• 3.3.1 比较蛋白组学分析揭示了不同低磷耐受性玉米叶片对低磷胁迫的响应的差异性涉及多条代谢途径
• 3.3.1.1 比较蛋白组学研究表明自交系99038-2P-319在低磷胁迫下具有高的光合作用可能与多条代谢途径相关
• 3.3.1.2 膜脂成分的改变和液泡ATPase的加强是自交系99038-2P-319的叶提高磷利用效率的重要特征
• 3.3.1.3 99038-2P-319与齐319相比在能量代谢、分子伴侣,有关蛋白质合成、降解的蛋白的表达存在差异性
• 3.3.2 比较蛋白质组学研究揭示出不同低磷耐受性的玉米的根系与叶片的耐低磷机制的异同点
• 第四部分 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表