菊花根系响应硝态氮的形态结构和分子基础

摘要

菊花（Chrysanthemum morifolium）是世界四大鲜切花之一，其产量和栽培面积在各花卉中居于前列。众所周知，菊花是肥料敏感型植物，其中氮素（N）对菊花的生长发育至关重要。在通气良好的土壤中，硝态氮（NO3--N）是根系吸收的主要无机氮源，菊花对NO3-的吸收大多是通过根部硝酸盐转运蛋白（NRT）实现的。NO3-不仅是植物营养的主要氮源，还可作为信号分子调节相关基因的表达来影响植物根系的生长和发育。因此，本研究采用营养液培养试验，以菊花‘神马’的扦插生根苗为研究材料，研究了外源NO3-信号诱导根系外观形态、解剖结构、硝态氮含量、光合特性、内源激素（IAA和CTK）水平、硝酸盐转运蛋白基因CmNRTs和侧根发育基因CmANR1表达的变化，旨在揭示菊花根系响应NO3-信号的形态结构和分子基础，为选育氮高效利用的菊花新品种提供理论依据。主要研究内容及结果如下： 1、用含有10 mmol·L-1 KNO3的 Hogland营养液处理（对照为不含 N元素的Hogland营养液）后，分别在第0、1、3、7、14、21和28 d测定根系形态各参数。结果表明，与对照相比，第7d时处理组的根系总根长、平均直径、总表面积、总体积和根尖数均显著增加，且随着处理时间的延长，增加的幅度增大。与对照相比，第28 d时 NO3-处理的菊花根系各形态指标分别增加了 205.63%、59.80%、129.33%、114.33%、105.04%。 2、利用带刻度的生物显微镜观察营养液培养后第28 d的菊花根系横切面，并测定各级侧根维管束直径。结果表明， NO3-处理后菊花根系1级根（扦插生出的初级根）的维管束直径为0.103 mm，2级根的维管束直径为0.107 mm，3级根的维管束直径为0.102 mm。与对照相比，NO3-处理后1级根、2级根和3级根的维管束直径和维管束直径占根横切面直径的比值均出现了不同程度的增加：1级根、2级根和3级根的维管束直径分别增加了5.10%、13.83%和5.15%，维管束直径占根横切面直径的比值分别增加了15.70%、13.80%和12.42%。 3、测定10 mmol·L-1 KNO3处理后第0、1、3、7、14、21和28 d根系和叶片的硝态氮含量。结果表明，NO3-处理后根系和叶片的硝态氮含量分别在第7 d和第14 d时达到最大值（分别为0.45 mg·g-1 FW和0.35 mg·g-1 FW），之后稍微有所回落，但与对照相比，始终处于较高水平（对照的根系和叶片中硝态氮含量分别维持在0.17-0.27 mg·g-1 FW和0.16-0.22 mg·g-1 FW之间）。 4、测定10 mmol·L-1 KNO3处理第0、1、3、7、14、21和28 d叶片的净光合速率（Pn）、叶绿素荧光参数（Fo、NPQ与Fv/Fm、ΦPSII）和叶绿素含量。结果表明，与对照相比，在处理第28 d时，NO3-处理后菊花叶片的Pn升高了29.4%，Fo和NPQ分别降低了24.4%和22.7%，Fv/Fm和ΦPSII分别提高了7.3%和36.1%，叶绿素含量也增加了29.4%。这表明NO3-处理后叶片的光合特性优于对照，且NO3-处理对菊花光合特性的促进作用表现出明显的时间效应。 5、测定10 mmol·L-1 KNO3处理第0、1、3、7、14、21和28 d根系和叶片中IAA和CTK的含量。结果表明，NO3-处理的根系、叶片中IAA和CTK含量与对照相比均显著增加，根系IAA和CTK含量最大值在第7 d出现，叶片的IAA和CTK含量最大值在第14 d出现，而对照的IAA和CTK含量无显著变化。虽然变化趋势相似，但叶片和根系中IAA和CTK含量差异显著。 6、测定 10 mmol·L-1 KNO3处理第 0、1、3、7、14、21和28 d 根系中CmNRT1.1、CmNRT2.1、CmNAR2.1和CmANR1基因的相对表达量。结果表明，NO3-处理后双亲和型硝酸盐转运蛋白基因CmNRT1.1的相对表达量高峰出现在第1 d，高亲和型硝酸盐转运蛋白基因CmNRT2.1和其辅助蛋白基因CmNAR2.1的相对表达量高峰均出现在第3 d，菊花侧根发育特异基因CmANR1的相对表达量在第7 d达到表达高峰。NO3-处理后这4个基因的相对表达量与对照相比始终处于较高水平，表达趋势也相似，都是先升高后稍微降低再保持相对稳定。这表明它们的表达均受NO3-信号诱导，但相对表达量上调高峰有所不同，受诱导程度也不同。 总体来看，NO3-处理改变了菊花的根系形态结构，促进了侧根的生长发育。在这个过程中，根系维管束结构、硝态氮含量、光合特性、内源激素水平和相关基因的表达也发生了相应的改变。这说明一方面菊花根系能通过CmNRTs基因和CmANR1基因的表达上调来响应生长介质中的NO3-信号，另一方面适宜的NO3-提高了根系中IAA和CTK的含量，进而两者共同改善了根系的整体形态结构，提高根系对NO3-的吸收利用来保证菊花的生长发育。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1 氮素是重要的营养元素

1.2硝态氮的吸收和转运

1.3 NO3-转运系统

1.4硝态氮对植物根系生长发育的影响

1.5植物体硝态氮含量的生理意义

1.6生长素和细胞分裂素影响侧根的发育

1.7研究目的与意义

2材料与方法

2.1试验材料与试验设计

2.2测定项目与方法

2.3数据处理

3结果与分析

3.1菊花根系外观形态变化

3.2菊花根系解剖结构变化

3.3菊花根系和叶片的NO3-含量

3.4菊花叶片光合特性

3.5根系和叶片中IAA和CTK含量

3.6 NO3-转运蛋白基因CmNRTs和侧根发育基因CmANR1的表达分析

4讨论

4.1 NO3-对菊花根系形态和解剖结构的影响

4.2 NO3-对菊花根系和叶片中NO3-含量的影响

4.3 NO3-对菊花叶片光合特性的影响

4.4根系响应NO3-形态结构变化与内源IAA和CTK的关系

4.5根系响应NO3-形态结构变化与相关基因表达的关系

5结论

参考文献

本文创新点

致谢

攻读学位期间发表论文情况