中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (7): 1220-1236.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.07.002
收稿日期:
2023-04-18
接受日期:
2023-05-21
出版日期:
2024-04-01
发布日期:
2024-04-09
通信作者:
联系方式:
陈兵先,E-mail:chenbingxian@gdaas.cn。
基金资助:
CHEN BingXian(), ZHANG Qi, DAI ZhangYan, ZHOU Xu, LIU Jun()
Received:
2023-04-18
Accepted:
2023-05-21
Published:
2024-04-01
Online:
2024-04-09
摘要:
【目的】研究水杨酸(SA)引发对低温下水稻种子萌发活力的影响及生理响应,揭示SA引发对脱落酸(ABA)和赤霉素(GA)代谢途径相关基因以及细胞壁松弛基因的诱导模式,为水稻种子低温萌发研究提供理论依据。【方法】以籼型三系杂交水稻泰丰优208种子为材料,通过种子引发处理,分析SA对种子低温萌发活力及生理的影响,并通过qRT-PCR技术分析ABA、GA和扩展蛋白基因响应SA引发的表达模式。【结果】低温(15 ℃)显著推迟水稻种子萌发进程。在低温下萌发1 d种子中,其内源SA浓度是常温(28 ℃)下的1.7倍;但对于5 d的幼苗而言,低温下的SA浓度仅为常温下浓度的0.6%。SA引发可有效提高种子在低温下的萌发活力,尤其以2 000 μmol·L-1 SA效果最为显著,该浓度显著提高了低温下种子的发芽指数、活力指数、芽长、根长、鲜重和干重,其中活力指数分别为未引发种子(CK1)和水引发种子(CK2)的3和2倍。在生理指标方面,SA引发提高了低温萌发过程中种子的可溶性糖、脯氨酸以及活性氧含量,增加了总淀粉酶、β-淀粉酶、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性,降低了丙二醛(MDA)含量。与CK1相比,2 000 μmol·L-1 SA引发将种子ABA含量降低了79%,同时将IAA和GA1含量增加了32.2%和2.66倍。在基因表达方面,对于2 000 μmol·L-1 SA引发的种子,ABA合成基因OsNCED2和OsNCED3的表达量分别比CK1降低了94.26%和90.24%;而ABA分解基因OsABA8’ox2和OsABA8’ox3的表达量分别为CK1的5.9和3.9倍。与CK1相比,SA引发显著上调了GA合成基因OsCPS1、OsKAO和OsGA20ox1的表达量,并显著下调GA分解基因OsGA2ox2和OsGA2ox6的表达量。在几个候选的细胞壁松弛因子扩展蛋白基因中,除了OsEXPB11外,其余几个同源基因均在一定程度上被引发而上调表达。与CK1相比,2 000 μmol·L-1 SA引发分别使OsEXPA2、OsEXPB4和OsEXPB6的表达量上调12.2、5.9和6.1倍。【结论】SA引发可显著缓解低温对于水稻种子萌发和幼苗生长的影响。可能是由于SA提高SOD、CAT等抗氧化酶活性,降低MDA的产生,增加可溶性糖和脯氨酸的含量,进而增强种子和幼苗对于低温的耐受能力。另一方面,SA引发通过降低种子内源ABA含量,增加GA1含量,增强总淀粉酶和β-淀粉酶活性,促进细胞壁松弛相关基因的表达,从而促进低温下的种子萌发和幼苗生长。
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表1
实时荧光定量PCR扩增引物"
基因名称 Gene name | 基因登录号 Gene ID | 正向引物 Forward primer (5′-3′) | 反向引物 Reverse primer (5′-3′) |
---|---|---|---|
OsNCED1 | LOC_Os02g47510 | GAACTTCGACTTCCCCGTGA | ACGTAGCACACCAAGTACCC |
OsNCED2 | LOC_Os12g24800 | GAGCCTTGAGTTCGGTGTCA | CAGCAAAGCACCCTAGACCA |
OsNCED3 | LOC_Os03g44380 | ATATGGCGACGATCACGACG | CGCGGAGAATCTCACCGAAT |
OsNCED4 | LOC_Os07g05940 | TCGGGAGGTACGACTTCCAT | TTGAGGTACGGCTTGGACAC |
OsNCED5 | LOC_Os12g42280 | CGAGCTCACCAAGTTCGAGT | TTGATGAAGGTGCCGTGGAA |
OsABA8’ox1 | LOC_Os02g47470 | AAAACCAACATCAACGGCGG | GATTGCCAACCGTGGTCCTA |
OsABA8’ox2 | LOC_Os08g36860 | CGTGTGTGTGGATGCAATGG | AGTGCTACACTAGGCACACC |
OsABA8’ox3 | LOC_Os09g28390 | CTGGTCACTGGCTACAGGTG | TGCTACGCCATTGTCGTCAT |
OsCPS1 | LOC_Os02g17780 | TCAAGAGACACCGCCAGTTC | ACAGTGCATGACCCTGGATG |
OsKAO | LOC_Os06g 02019 | CTCCTTCGTGTCCTTCCGTC | ACCACAGCTGAACCTTCCAC |
OsGA20ox1 | LOC_Os03g63970 | TTCTTCCTCTGCCCGGAGAT | CATGTCGGCCCTGTAGTGG |
OsGA3ox2 | LOC_ Os01g08220 | CTTCTGTGACGTGATGGAGGAG | CTCAAGAACAACCTCAGCAACTC |
OsGA2ox1 | LOC_Os05g06670 | ACCCGCAGATCCTTAGCTTG | TGAACCCACATCTCCTTGCC |
OsGA2ox2 | LOC_Os01g22910 | TGTTTGGTTGAGGGGTGAGT | CATTTTCCCCGATCAGTTGGT |
OsGA2ox3 | LOC_Os01g55240 | ACTCGTTGCAGGTTCTGACC | GTGGCAATGGTGCAATCCTC |
OsGA2ox6 | LOC_Os04g44150 | GGCTATCGGTGGCCTACTTC | TTGTCCTGACGTCTTCCTGC |
OsEXPA2 | LOC_Os01g60770 | GCGGCCAGTTCTGATCGAGTA | GCAGCCTCAGAATAGCCAAAGC |
OsEXPA4 | LOC_Os05g39990 | CCGTCTCCGACACCCACATAT | TGGACGAAGTCCAGAGAAGGAA |
OsEXPB4 | LOC_Os10g40730 | CCCAACACATTCTACCGCTCCT | ACAGACCGACCACACAATCCC |
OsEXPB6 | LOC_Os10g40700 | AATTTGCGTGGGATTGAGGTGT | TGGGTAGTACAGTGACAGTGGG |
OsEXPB11 | LOC_ Os02g44108 | TGCAGTGCAGAGTTGCGGTAA | CAGAGACCGTGGAGGGAAGAAC |
OsEXPLA1 | LOC_Os03g04020 | ACACGCACGAGTGGAAGTAGAA | TGCCGAGGGATTAGGAGGACT |
OsGAPDH1 | LOC_Os02g38920 | GCAATCAAGGAGGAGGCTGA | ACGTGTCGCTCAAAGCAATG |
表2
不同浓度水杨酸引发对水稻种子萌发的影响"
引发方式 Priming method | 发芽势 Germination potential (%) | 发芽率 Germination rate (%) | 发芽指数 Germination index | 活力指数 Vigor index | 芽长 Seedling length (cm) | 根长 Root length (cm) | 鲜重 Fresh weight (g) | 干重 Dry weigh (g) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CK1 | 43.75±3.11e | 84.75±3.30d | 15.26±2.84d | 19.70±2.84e | 1.13±0.29d | 1.20±0.21d | 0.44±0.01d | 0.40±0.01bc |
CK2 | 52.25±3.56d | 84.25±3.20d | 16.81±2.21cd | 30.25±3.21d | 1.21±0.07d | 1.77±0.12c | 0.47±0.01c | 0.38±0.02c |
50 μmol·L-1 SA | 55.00±3.92d | 85.50±1.29d | 16.17±1.90d | 31.60±3.90d | 1.47±0.21c | 1.83±0.22c | 0.43±0.02d | 0.39±0.01c |
500 μmol·L-1 SA | 90.75±4.27a | 90.75±2.75c | 17.32±1.98bc | 36.37±4.98c | 1.49±0.18c | 2.10±0.22b | 0.54±0.02b | 0.42±0.02b |
2000 μmol·L-1 SA | 83.25±3.30b | 96.50±1.73a | 21.59±2.67a | 60.20±4.67a | 1.65±0.05a | 2.76±0.14a | 0.63±0.02a | 0.55±0.04a |
5000 μmol·L-1 SA | 63.50±3.30c | 92.50±1.29b | 18.36±1.85b | 48.40±3.05b | 1.57±0.19b | 2.69±0.24a | 0.61±0.03a | 0.54±0.02a |
图3
基于Videometer成像系统的种子多光谱特征和种子面积变化 A:Videometer多光谱种子表型仪及其工作原理Videometer multispectral seed phenotype instrument and its working principle;B:多波长光谱下的种子光谱值Spectral values of seeds at multiple wavelengths;C、D:种子在15 ℃下萌发5和14 d时的面积变化Area changes of germinated seeds at 15 ℃ of 5 and 14 d 图中数据为平均值±标准误,柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同The data in the figure are mean±SE, and different lowercase letters on the column indicate significant differences (P<0.05). The same as below"
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