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水稻OsNAR2.1参与硝酸盐调控根系生长的机制

作　者: 张辰明
导　师: 张亚丽
学　校: 南京农业大学
专　业: 植物营养
关键词: 水稻 NO3- 根系 OsNAR2.1 信号
分类号: S511
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于水稻根系的泌氧作用和根际土壤的硝化作用,使水稻根系实际上是处于铵硝混合营养中。因此,水稻的硝酸盐(NO3-)营养是水稻氮素营养重要的组成部分。中低浓度的NO3-可以刺激水稻根系的生长,尤其是侧根的生长。关于NO3-刺激水稻根系生长的机理可以从NO3-的吸收、营养作用、激素调控和NO3-的信号作用等方面进行解释。试验采用水培的方法研究了Osnar2.1-RNAi突变体(两个株系)和野生型(日本晴,WT)在不同浓度NO3-条件下的根系生长及氮素吸收利用情况,旨在揭示水稻中NAR2.1基因参与水稻NO3-调控根系生长的机理。主要结果如下：1.采用控制条件下的水培试验,对不同氮形态(全铵、铵硝混合(75：25)、全硝营养)条件下水稻苗期的氮素吸收和根系生长进行了研究。结果表明,铵硝混合营养条件下水稻的生物量和氮素积累量最高,全铵和全硝营养之间没有差异。铵硝混合营养处理的水稻地上部和根系的氨基酸含量最高,全铵处理次之,全硝处理的最低。全硝处理的水稻植株内NO3-含量约为全铵和铵硝混合处理的4倍,铵硝混合营养处理的水稻植株NO3-含量高于全铵处理,增幅为18%。培养时间为0-5d时,铵硝混合和全硝处理的水稻根系总长差异不明显,但高于全铵处理。从第5d开始,铵硝混合和全铵处理的根系总长增加迅速,培养到7d时水稻的根系总长已显著大于全铵和全硝处理,增幅约为35%。全铵和全硝处理的水稻根系总长间差异不明显。不同氮形态处理的水稻根系总长变化主要是由侧根总长的变化引起的,而侧根数的变化是侧根总长变化的主要原因。2.采用控制条件下的水培试验,在不同NO3-浓度(0.2、0.5和5mM)和不同N形态(全铵、铵硝混合和全硝营养；总氮浓度为0.2mM)条件下研究了nar2.1-RNAi与WT之间根系形态的差异,结果发现不同的NO3-浓度下突变体和野生型水稻的根系差异明显。在0.2和0.5 mM NO3-条件下,与WT相比,nar2.1-RNAi的总根长显著降低,而5mM NO3-处理的突变体和野生型水稻的根系差异不明显。进一步的分析表明,总根长的差异主要来源于不定根和侧根的差异,其中两个株系突变体的不定根数显著低于野生型水稻；两个株系突变体的种子根和不定根上的侧根长度也显著低于野生型水稻,尤其是不定根上的侧根长度和侧根数目,nar2.1-RNAi分别只有WT的60%和70%。而在在三个铵硝配比(总浓度均为0.2mM NO3-)处理下的试验结果表明,全铵营养处理下的突变体和野生型水稻的根系没有差异,在全硝和铵硝混合营养下的nar2.1-RNAi的根总长显著低于野生型水稻。综上所述,OsNAR2.1基因沉默后水稻的不定根和侧根的发生受到抑制。3.采用梯度15N-N03-条件下水培试验,研究了外源不同浓度15N-N03-条件下nar2.1-RNAi和WT的15N吸收以及根系形态变化。结果发现在低浓度15N-NO3-(0.05-0.5mM)条件下nar2.1-RNAi地上部和根系的15N浓度以及侧根长度和数目增幅均显著低于WT；而在15N-N03-为2-10mM时,nar2.1-RNAi和WT体内的15N浓度以及侧根长和侧根数增幅的差异幅度减少,这说明水稻中NAR2.1基因参与了低浓度下NO3-的跨膜吸收。进一步的研究表明,在根系15N浓度相同的条件下,与WT相比,nar2.1-RNAi增加的侧根长度及数目显著降低,这说明NAR2.1基因沉默后的根系生长受到抑制的原因不是因为由于N03-吸收受抑制引起的N营养缺乏引起的,而是因为OsNAR2.1参与了N03-的信号传导。4.通过水培试验,比较nar2.1-RNAi突变体和野生型中与ANR1同源性超过50%的4个OsMADS基因(MADS-box transcription factor 25、Transcription factor MADS27. MADS-box transcription factor 57、Transcription factor MADS57)的表达情况。结果发现nar2.1-RNAi突变体中MADS-box transcription factor 57、Transcription factorMADS57两个基因比WT显著下调。这说明在N03-调控水稻根系生长的信号途径中MADS基因位于OsNAR2.1基因的下游。

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摘要 8-10ABSTRACT 10-12第一章文献综述 12-28 1.1 我国水稻氮素肥料利用情况 12-13 1.2 水稻根际的硝化作用 13 1.3 水稻根系的NH_4~+/NO_3~-混合生存环境 13-14 1.4 植物对氮的吸收 14-16 1.4.1 NH_4~+的跨膜运输 14-15 1.4.2 NO_3~-的跨膜运输 15-16 1.5 NO_3~-促进根系的生长 16-18 1.5.1 NO_3~-对侧根生长发育的局部刺激作用 16-17 1.5.2 植物根系对外界低浓度NO_3~-环境的响应 17 1.5.3 增硝营养对水稻根系生长的促进作用 17-18 1.6 侧根的生长发育机制 18-20 1.7 NO_3~-促进植物根系生长的可能机制 20-24 1.7.1 NO_3~-的营养作用 20 1.7.2 NO_3~-与植物体内糖类等碳水化合物的作用 20-21 1.7.3 NO_3~-与植株内源激素(CTK、IAA) 21-22 1.7.4 NO_3~-的信号作用 22-24 1.8 高浓度NO_3~-抑制根系生长 24-25 1.9 研究内容 25-26 1.10 技术路线 26-28第二章在低氮条件下水稻对不同氮形态营养的响应 28-36 2.1 引言 28-29 2.2 材料与方法 29-30 2.2.1 试验材料 29 2.2.2 植株培养 29 2.2.3 测定项目与方法 29-30 2.3 结果与分析 30-33 2.3.1 不同氮素形态对地上部和根系生物量的影响 30 2.3.2 不同氮素形态对体内氮状况和可溶性糖含量的影响 30-31 2.3.3 根系形态 31-33 2.4 讨论 33-36第三章 NAR2.1-RNAI突变体根系对不同氮供应的响应 36-46 3.1 引言 36-37 3.2 试验材料与方法 37-38 3.2.1 实验材料 37 3.2.2 植株培养 37-38 3.2.3 测定项目与方法 38 3.3 结果与分析 38-44 3.3.1 nar2.1-RNAi突变体和野生型根系总长度对不同氮浓度NO_3~-的响应情况 38-41 3.3.2 低氮条件下nar2.1-RNAi和野生型根系总长度对不同氮形态的响应情况 41-44 3.4 讨论 44-46第四章梯度~(15)N-NO_3~-条件下水稻根系生长对不同体内外源NO_3~-浓度的响应 46-56 4.1 引言 46-47 4.2 材料与方法 47-49 4.2.1 试验材料 47 4.2.2 植株培养 47-48 4.2.3 测定项目与方法 48-49 4.3 结果与分析 49-54 4.3.1 不同外源NO_3~-浓度下nar2.1-RNAi和WT之间N浓度差异 49-50 4.3.2 梯度~(15)N-NO_3~-条件下nar2.1-RNAi和WT之间侧根长度增长变化情况 50 4.3.3 梯度~(15)N-NO_3~-条件下nar2.1-RNAi和WT之间侧根数目变化 50-51 4.3.4 梯度~(15)N-NO_3~-条件下nar2.1-RNAi和WT之间根系~(15)N变化情况 51-52 4.3.5 梯度~(15)N-NO_3~-条件下nar2.1-RNAi和WT的地上部~(15)N浓度的变化 52 4.3.6 根系~(15)N梯度条件下nar2.1-RNAi和WT之间侧根长度数目变化情况 52-54 4.4 讨论 54-56第五章低浓度NO_3~-处NAR2.1-RNAI中MADS基因的表达分析 56-62 5.1 引言 56-57 5.2 材料与方法 57-59 5.2.1 试验材料 57 5.2.2 植株培养 57 5.2.3 同源性比较 57 5.2.4 引物设计 57-58 5.2.5 实验方法 58-59 5.3 结果与分析 59-60 5.4 讨论 60-62参考文献 62-72全文结论 72-74创新点 74-76致谢 76-78攻读硕士期间发表的论文 78

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