水稻灌浆期干—湿交替灌溉促进茎鞘物质转运的机制分析

水稻灌浆期干—湿交替灌溉促进茎鞘物质转运的机制分析

水稻是世界上最为重要的粮食作物之一,建立合理的水分运筹方式,对实现其高产具有重要的意义。茎鞘是水稻源、库之间光合同化物、水分和养分等运输的主要通道,采用合理的栽培调控措施增强茎鞘的物质转运能力对水稻高产的形成有重要的意义。

本研究以水稻(“金恢809”)的茎鞘为主要研究对象,分析了水稻灌浆期适度的干旱胁迫即干湿交替灌溉方式下水稻茎鞘生理变化及农艺性状,结果发现茎鞘的转运率和转化率分别提高了 9.87%和8.37%,而弱势籽粒的结实率、千粒重和产量分别提高了 14.30%、2.98%和10.32%,说明在灌浆期干湿交替灌溉方式能够有效地促进茎鞘物质的转运,进而有利于水稻高产的形成。本研究进一步采用双向电泳技术分析了茎鞘物质转运对干湿交替的响应机制,分别构建了花后10天、20天、30天的茎鞘蛋白表达图谱,共找到220个差异蛋白点,并成功鉴定到166个,其中茎秆有71个蛋白差异表达,叶鞘有95个蛋白差异表达。

通过对蛋白功能的生物信息学分析,发现干湿交替灌溉下1,5-二磷酸核酮糖羧化酶、叶绿素a-b结合蛋白、光合体系Ⅰ亚基和转酮醇酶和氧进化蛋白等光合作用相关蛋白的降解实现茎秆和叶鞘的提前衰老,促进了碳水化合物从“源”到“库”的转运;热激蛋白、ATP依赖Zn金属蛋白酶、过氧化物酶、盐应激蛋白、L-抗坏血酸盐过氧化物酶、延伸因子 EF1以及氧化还原酶类等抗逆相关蛋白的上调表达,有效地增强了茎秆和叶鞘的物质储备和转运能力;磷酸丙糖异构酶、烯醇酶、乙醇脱氢酶、磷酸甘油酸变位酶、甘油醛3-磷酸脱氢酶、果糖激酶、磷酸甘油酸激酶、天冬氨酸转氨酶、延胡索酰乙酰乙酸水解酶、谷氨酰胺合成酶和ATP合成酶等能量代谢相关蛋白的上调表达,增强了茎鞘的能量代谢,产生更多

能量用于茎鞘抵御外界干旱胁迫以及物质的转运;ABA/WMD诱导蛋白介导ABA对茎鞘物质转运的调控,而14-3-3蛋白则介导了干旱胁迫下茎鞘糖酵解、TCA循环、信号转导、应激响应和激素调节等代谢途径。上述茎鞘中的蛋白响应土壤的干湿交替变化,加速了水稻灌浆后期的全身性衰老,促进了碳水化合物从源到库的运转,有利于水稻高产的形成。

本研究在蛋白组学水平明确了水分调控促进茎鞘物质转运的分子机制,深化了水稻的高产栽培理论。