中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (7): 1295-1310.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.07.008
收稿日期:
2022-06-23
接受日期:
2022-12-06
出版日期:
2023-04-01
发布日期:
2023-04-03
联系方式:
谷闻东,E-mail:1515704541@qq.com。
基金资助:
GU WenDong(), LIU ChunJuan(), LI Bang, LIU Chang, ZHOU YuFei()
Received:
2022-06-23
Accepted:
2022-12-06
Published:
2023-04-01
Online:
2023-04-03
摘要:
【目的】 研究外源色氨酸对低氮胁迫下高粱叶片衰老的影响,探讨低氮条件下高粱叶片碳氮平衡与衰老的关系,旨在挖掘高粱耐低氮胁迫的有效调控手段。【方法】 选用耐低氮高粱自交系398B和氮敏感自交系CS3541为试验材料,采用水培试验,设置正常氮(5 mmol·L-1)和低氮(0.5 mmol·L-1)2个氮水平,并进行50 mg·L-1外源色氨酸喷施处理,喷施10 d后测定叶片形态、组织结构、光合特性、叶绿素荧光参数、叶片碳氮代谢相关物质含量和酶活性、C/N及衰老相关基因表达水平,并分析低氮胁迫下高粱幼苗叶片C/N与衰老相关基因的相关性。【结果】 (1)与正常氮水平相比,低氮胁迫显著降低了398B和CS3541的叶面积,而外源色氨酸处理使398B和CS3541的叶面积显著增加了36.72%和52.06%;外源色氨酸显著增加了低氮胁迫下398B和CS3541的叶干重和叶鲜重。(2)与正常氮水平相比,低氮胁迫下,398B花环结构相对完整,而外源色氨酸处理使叶片细胞排列整齐,花环结构清晰;外源色氨酸显著增加了低氮胁迫下398B叶片叶绿素含量(36.85%),而未显著提高CS3541叶片各色素含量。(3)低氮胁迫下,与未喷施色氨酸相比,外源色氨酸处理使叶片光系统II(PSII)表现出更高的最大光化学效率(Fv/Fm)和热耗散(NPQ),增加了叶片光合速率,从而维持叶片更强的光合能力。(4)外源色氨酸提高了低氮胁迫下高粱叶片氮含量和碳氮代谢相关酶活性;降低了高粱叶片碳水平(可溶性糖、蔗糖、淀粉和总糖)和C/N,进而保证低氮胁迫下植株的碳氮生理平衡。(5)外源色氨酸正调控低氮胁迫下衰老相关基因SbLHCB和SbSGR-2的表达,负调控SbNAC6、SbPaO3、SbPPDK-2和SbSAG12-2的表达;另外,C/N与SbLHCB和SbSGR-2表达量呈正相关,与SbNAC6、SbPaO3、SbPPDK-2和SbSAG12-2表达量呈负相关。【结论】 低氮胁迫下,外源色氨酸通过降低C/N和衰老基因的表达量,影响叶片形态和光合特性,同时通过调节叶片碳氮代谢,延缓了叶片衰老,增强高粱幼苗对低氮胁迫的耐性。因此,喷施外源色氨酸是缓解低氮胁迫的一种潜在策略。
谷闻东, 刘春娟, 李邦, 刘畅, 周宇飞. 外源色氨酸对低氮胁迫下高粱苗期叶片碳氮平衡和衰老特性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1295-1310.
GU WenDong, LIU ChunJuan, LI Bang, LIU Chang, ZHOU YuFei. Effects of Exogenous Tryptophan on C/N Balance and Senescence Characteristics of Sorghum Seedlings Under Low Nitrogen Stress[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(7): 1295-1310.
表1
衰老相关基因引物序列"
基因名称 Gene name | 引物名称 Primer name | 引物序列 Primer sequence (5′-3′) |
---|---|---|
SbGAPDH | GAPDH-F | GTGTTTGGACTTCTTGGGGGA |
GAPDH-R | TCATCTCGGGGATCTCTGCC | |
SbPaO | PaO-F3 | CTGCCACCAAGCTCTACCAA |
PaO-R3 | GAACAACCGACGTGAGCAAC | |
SbPPDK | PPDK-F2 | CAGGCTTACCTGCATCACCA |
PPDK-R2 | TTGAGCATCCTGCCACACAA | |
SbSAG12 | SAG12-F2 | CGCCTCTATGCTCCGCAATA |
SAG12-R2 | CAACCAGTGCAGACAACAGC | |
SbSGR | SGR-F2 | GGCCTCCGCTACTACATCTT |
SGR-R2 | GGGTCAGGTTGGAGTGGAAG | |
SbNAC6 | NAC6-F | GGCCCTCTTGCTGATGAGTT |
NAC6-R | ACTGTCATCCACTTGGCGAG | |
SbLHCB | LHCB-F | CGCCAAGTTCGAGGAGTACA |
LHCB-R | TCTGGGGATGATGATGTCGC |
表2
外源色氨酸对低氮胁迫下高粱幼苗叶片色素含量的影响"
处理 Treatment | 自交系 Inbred line | 叶绿素a Chl a (mg·g-1) | 叶绿素b Chl b (mg·g-1) | 类胡萝卜素 Car (mg·g-1) | 叶绿素含量 Chl (mg·g-1) |
---|---|---|---|---|---|
NTrp | 398B-NN | 2.38±0.06c | 0.51±0.01bc | 0.49±0.01b | 2.89±0.08b |
399B-LN | 1.60±0.09e | 0.33±0.10d | 0.31±0.01d | 1.93±0.18e | |
CS3541-NN | 2.12±0.05d | 0.47±0.11bc | 0.45±0.03c | 2.59±0.14d | |
CS3541-LN | 1.27±0.05g | 0.20±0.02e | 0.30±0.01d | 1.47±0.07f | |
Trp | 398B-NN | 2.50±0.04b | 0.59±0.07bc | 0.49±0.01b | 3.09±0.10a |
399B-LN | 2.19±0.06d | 0.45±0.07c | 0.48±0.01bc | 2.64±0.13c | |
CS3541-NN | 3.41±0.06a | 0.71±0.02a | 0.70±0.01a | 4.12±0.09a | |
CS3541-LN | 1.44±0.03f | 0.19±0.01e | 0.33±0.01d | 1.63±0.04f |
[1] |
doi: 10.1093/jxb/erq417 pmid: 21220784 |
[2] |
祝令晓, 宋世佳, 李浩然, 孙红春, 张永江, 白志英, 张科, 李安昌, 刘连涛, 李存东. 基于耐低氮综合指数的棉花苗期耐低氮自交系筛选. 作物学报, 2022, 48(7): 1800-1812.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2022.14085 |
|
|
[3] |
doi: S0981-9428(19)30286-4 pmid: 31398585 |
[4] |
宫香伟, 韩浩坤, 张大众, 李境, 王孟, 薛志和, 杨璞, 高小丽, 冯佰利. 氮肥运筹对糜子生育后期干物质积累与转运及叶片氮素代谢的调控效应. 中国农业科学, 2018, 51(6): 1045-1056.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.06.004 |
|
|
[5] |
doi: 10.1016/j.plaphy.2020.03.027 |
[6] |
doi: 10.1080/03650340.2019.1619077 |
[7] |
严雯奕, 叶胜海, 董彦君, 金庆生, 张小明. 植物叶片衰老相关研究进展. 作物杂志, 2010, 26(4): 4-9.
|
|
|
[8] |
doi: 10.1104/pp.010475 |
[9] |
王宁, 师赵康, 徐世英, 尹凤茹, 王伟杰, 冯万军. 低氮诱导玉米幼苗叶片衰老过程中碳氮平衡的动态变化. 应用生态学报, 2022, 33(4): 1045-1054.
doi: 10.13287/j.1001-9332.202204.034 |
doi: 10.13287/j.1001-9332.202204.034 |
|
[10] |
曹蓓蓓, 王仕稳, 齐凌云, 陈道钳, 殷俐娜, 邓西平. 小麦苗期叶片碳氮平衡与低氮诱导的叶片衰老之间的关系. 麦类作物学报, 2017, 37(5): 673-679.
|
|
|
[11] |
周琴, 赵超鹏, 曹春信, 江巧君, 江海东. 不同氮肥基追比对多花黑麦草碳氮转运和种子产量的影响. 草业学报, 2010, 19(4): 47-53.
|
|
|
[12] |
|
[13] |
doi: 10.1016/S1002-0160(18)60002-5 |
[14] |
|
[15] |
doi: 10.1081/PLN-200055543 |
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
邹剑秋. 高粱育种与栽培技术研究新进展. 中国农业科学, 2020, 53(14): 2769-2773.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.001 |
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.001 |
|
[20] |
赵明辉, 孙建, 王嘉宇, 徐海, 唐亮, 陈温福. 全基因组分析低氮胁迫下水稻剑叶光合相关基因表达变化. 中国农业科学, 2011, 44(1): 1-8.
|
|
|
[21] |
张定一, 张永清, 杨武德, 苗果园. 不同基因型小麦对低氮胁迫的生物学响应. 作物学报, 2006, 32(9): 1349-1354.
|
|
|
[22] |
赵泽群, 师赵康, 王雯, 张远航, 徐世英, 王宁, 王伟杰, 程皓, 冯万军. 低氮胁迫下玉米幼苗氮素和蔗糖分配特性. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(4): 783-796.
|
|
|
[23] |
李合生. 植物生理生化实验原理和技术. 北京: 高等教育出版社, 2000, 123-194.
|
|
|
[24] |
doi: 10.1078/0176-1617-00730 |
[25] |
doi: 10.1016/0003-9861(73)90316-0 |
[26] |
doi: 10.1104/pp.44.5.759 pmid: 16657128 |
[27] |
doi: 10.32615/ps.2019.112 |
[28] |
郭改玲, 刘克礼, 高聚林, 张永平, 郝德春, 史建国. 氮素施用方式对春小麦花后叶片衰老与产量的影响. 麦类作物学报, 2006, 26(5), 126-129.
|
|
|
[29] |
doi: 10.1016/S2095-3119(20)63227-0 |
[30] |
|
[31] |
张瑞栋, 肖梦颖, 徐晓雪, 姜冰, 邢艺凡, 陈小飞, 李邦, 艾雪莹, 周宇飞, 黄瑞冬. 高粱种子对萌发温度的响应分析与耐低温萌发能力鉴定. 作物学报, 2020, 46(6): 889-901.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2020.94150 |
doi: 10.3724/SP.J.1006.2020.94150 |
|
[32] |
doi: 10.1111/tpj.2009.57.issue-3 |
[33] |
doi: 10.1007/s11120-021-00892-6 |
[34] |
赵霞. 水稻叶片非光化学猝灭对环境因子的光合响应[D]. 武汉: 华中农业大学, 2017.
|
|
|
[35] |
doi: 10.1007/s11099-011-0076-1 |
[36] |
|
[37] |
苏纪勇, 姚圆, 刘玉含, 韩秋宇, 张雯露. 蔗糖磷酸合酶功能、结构与催化机制的研究进展. 生物工程学报, 2021, 37(6): 1858-1868.
|
|
|
[38] |
房经贵, 朱旭东, 贾海锋, 王晨. 植物蔗糖合酶生理功能研究进展. 南京农业大学学报, 2017, 40(5): 759-768.
|
|
|
[39] |
doi: 10.1016/j.plaphy.2018.12.025 |
[40] |
doi: 10.1104/pp.111.191908 pmid: 22247267 |
[41] |
doi: 10.1093/mp/ssp093 |
[42] |
|
[43] |
肖燕, 姚珺玥, 刘冬, 宋海星, 张振华. 甘蓝型油菜响应低氮胁迫的表达谱分析. 作物学报, 2020, 46(10): 1526-1538.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2020.94197 |
doi: 10.3724/SP.J.1006.2020.94197 |
|
[44] |
|
[45] |
doi: 10.1016/j.plantsci.2017.03.003 |
[46] |
李邦. 低氮胁迫下外源色氨酸调控高粱幼苗根系伸长的机制研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2022.
|
|
|
[47] |
|
[48] |
|
[49] |
黄瑞冬, 孙璐, 肖木辑, 许文娟, 周宇飞. 持绿型高粱B35灌浆期对干旱的生理生化响应. 作物学报, 2009, 35(3): 560-565.
|
doi: 10.3724/SP.J.1006.2009.00560 |
|
[50] |
doi: 10.1007/s11738-016-2105-y |
[51] |
doi: 10.1105/tpc.107.055749 |
[1] | 常春义, 曹元, Ghulam Mustafa, 刘红艳, 张羽, 汤亮, 刘兵, 朱艳, 姚霞, 曹卫星, 刘蕾蕾. 白粉病对小麦光合特性的影响及病害严重度的定量模拟[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1061-1073. |
[2] | 熊伟仡,徐开未,刘明鹏,肖华,裴丽珍,彭丹丹,陈远学. 不同氮用量对四川春玉米光合特性、氮利用效率及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1735-1748. |
[3] | 徐珂,樊志龙,殷文,赵财,于爱忠,胡发龙,柴强. 氮肥后移及间作对玉米光合特性的耦合效应[J]. 中国农业科学, 2022, 55(21): 4131-4143. |
[4] | 李小凡,邵靖宜,于维祯,刘鹏,赵斌,张吉旺,任佰朝. 高温干旱复合胁迫对夏玉米产量及光合特性的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(18): 3516-3529. |
[5] | 王劲松,董二伟,刘秋霞,武爱莲,王媛,王立革,焦晓燕. 行距和密度对籽粒饲用高粱产量和品质的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(16): 3123-3133. |
[6] | 原程,张玉先,王孟雪,黄炳林,辛明强,尹小刚,胡国华,张明聪. 中耕时间和深度对大豆光合特性及产量形成的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(15): 2911-2926. |
[7] | 史晓龙,郭佩,任婧瑶,张鹤,董奇琦,赵新华,周宇飞,张正,万书波,于海秋. 基于花生//高粱间作模式的花生盐胁迫耐受性效应研究[J]. 中国农业科学, 2022, 55(15): 2927-2937. |
[8] | 徐晓,任根增,赵欣蕊,常金华,崔江慧. 中国高粱地方品种和育成品种穗部表型性状精准鉴定及综合评价[J]. 中国农业科学, 2022, 55(11): 2092-2108. |
[9] | 张北举,陈松树,李魁印,李鲁华,徐如宏,安畅,熊富敏,张燕,董俐利,任明见. 基于近红外光谱的高粱籽粒直链淀粉、支链淀粉含量检测模型的构建与应用[J]. 中国农业科学, 2022, 55(1): 26-35. |
[10] | 武翠卿,孙静鑫,郭平毅,王宏富,武新慧. 农艺措施对谷子产量及抗倒伏力学性能的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(6): 1127-1142. |
[11] | 李顺国,刘猛,刘斐,邹剑秋,陆晓春,刁现民. 中国高粱产业和种业发展现状与未来展望[J]. 中国农业科学, 2021, 54(3): 471-482. |
[12] | 张彦,王劲松,董二伟,武爱莲,王媛,焦晓燕. 中晚熟区主要高粱品种耐瘠性综合评价[J]. 中国农业科学, 2021, 54(23): 4954-4968. |
[13] | 宗毓铮,张函青,李萍,张东升,林文,薛建福,高志强,郝兴宇. 大气CO2与温度升高对北方冬小麦旗叶光合特性、碳氮代谢及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(23): 4984-4995. |
[14] | 王金凤,王壮壮,谷丰序,牟海萌,王宇,段剑钊,冯伟,王永华,郭天财. 氮密调控对两个冬小麦品种碳氮代谢及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(19): 4070-4083. |
[15] | 程彬,刘卫国,王莉,许梅,覃思思,卢俊吉,高阳,李淑贤,AliRAZA,张熠,IrshanAHMAD,敬树忠,刘然金,杨文钰. 种植密度对玉米-大豆带状间作下大豆光合、产量及茎秆抗倒的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(19): 4084-4096. |
|