水稻育性及光合作用温度稳定性相关生理基础研究

论文摘要

温度条件是影响植物生长发育的主要生态因子之一，温度的变化引起植物产生复杂的生理响应。探讨水稻对高温适应性的遗传生理基础和全球气温升高的克服对策是当前水稻研究的重要热点之一。此外，光温敏核不育水稻的育性受到温度变化的精确调控，研究温度对育性的调控中的基因表达对阐明光温敏不育水稻的育性稳定性基础、丰富我国两系杂交水稻的理论基础有重要意义。本研究针对上述两方面的内容进行了初步探讨。1．光合作用高温稳定性生理基础研究植物感受温度变化的主要器官是叶片，光合作用是叶片的基本功能，叶片光合作用的高温度稳定性是评价高温适应性的重要指标。本研究在已对几十份不同水稻品种材料进行光合作用高温稳定性鉴定并获得高温稳定的代表品种蜀恢527和高温敏感型品种特籼占的基础上，对这两个材料进行了高温反应下的系列生理差异分析。在对维管束显微结构与气孔特性观察、功能叶片蛋白质表达差异、光合作用关键酶Rubisco大、小亚基和蛋白含量热稳定性与生理指标变化等方面的比较生理学分析后获得初步结果，为分析水稻在高温胁迫下的生理和表达差异特征并进一步研究抗（耐）高温机理积累了基础。主要结果如下：（1）光合作用高温稳定型品种蜀恢527表现出稳定的生理特性，高温下，能维持较稳定的细胞膜结构和较高的脯氨酸水平，增强光合器官耐受高温逆境的能力，以维持相对稳定的光合作用。（2）经双向电泳分析，高温胁迫下产生的热激蛋白（HSP）种类不同，光合作用高温敏感型品种特籼占产生4种HSP，且都为大分子热激蛋白laHSP，分子量和等电点主要分布于63.5-76.8 kD和PI 4.74-5.31之间。高温稳定型品种蜀恢527也产生了4种HSP，但都为小分子热激蛋白smHSP，分子量和等电点主要分布于16.3-23.3kD和PI 4.80-5.91之间，并且除组成型热激蛋白，还产生了1种诱导型热激蛋白。（3）光合作用高温稳定型品种蜀恢527剑叶的Rubisco大、小亚基和蛋白含量的50℃热稳定性均高于敏感型品种特籼占。（4）与敏感型品种特籼占相比，光合作用高温稳定型品种蜀恢527剑叶中脉和第2节间茎秆维管束发达，剑叶表皮气孔密度大，并表现出独特的气孔特性。2．光温敏核不育水稻育性温度敏感性差异分子机理研究在影响光温敏不育水稻育性的光照和温度两个重要因子中，自然光照长度是有规律变化的生态因子，而自然温度的变化则较复杂。不育系的不育临界温度是反映不育系不育性稳定性的关键指标。目前生产上的一个突出问题是经过鉴定的不育系临界温度值存在不稳定性，会逐代升高，从而使该不育系逐渐丧失实用性能。临界不育温度升高后，在遇到低于临界温度的自然条件下造成可育，这是两系杂交稻发展过程中存在的关键技术障碍。本研究以不育临界温度值分别为23℃和28℃的培矮64S近等基因不育系P2364S和P2864S为材料，对在相同温度下处于育性转换温度敏感期的幼穗进行表达谱基因芯片分析，在转录水平上比较近等基因不育系间的生理遗传表达差异，探讨光温敏核不育水稻育性温度敏感性差异的分子机理。所用基因表达芯片为GeneChip Rice Genome Array，包括57381个水稻籼粳亚种的表达序列探针组。结果表明：得到差异表达2倍以上的探针组1334个，为总探针组数的2.32％，对其中差异表达16倍以上的73个探针组进行生物信息学分析，其中54个有推测功能，主要为涉及电子和质子传递、蛋白翻译、细胞生长发育、抗性、信号传导、物质代谢、转座和转录等相关功能的基因。经分析后认为，抗性相关基因、信号传导相关基因和转座相关基因可能与光温敏核不育水稻的育性温度敏感性有关，其中主要功能基因分析与验证有待深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 第一章 水稻光合作用高温稳定性生理基础研究
• 1. 前言
• 1.1 高温对水稻产量和品质影响的品种间差异
• 1.2 高温对光合作用影响的品种间差异
• 1.3 植物对高温的防御机制
• 1.4 研究目的
• 2. 材料与处理
• 2.1 材料
• 2.2 高温处理
• 3. 实验方法
• 3.1 细胞膜伤害率测定
• 3.2 脯氨酸含量测定
• 3.3 热激蛋白的SDS-PAGE
• 3.4 热激蛋白的双向电泳
• 3.5 剑叶Rubisco大、小亚基和蛋白含量的测定
• 3.6 显微结构观察
• 4. 结果与分析
• 4.1 高温对水稻倒二叶细胞膜透性的影响
• 4.2 高温对水稻倒二叶游离脯氨酸含量的影响
• 4.3 倒二叶热激蛋白的SDS-PAGE分析
• 4.5 剑叶Rubisco大、小亚基和蛋白含量的热稳定性分析
• 4.6 水稻剑叶和第2节间显微结构分析
• 5. 讨论
• 5.1 高温对水稻倒二叶细胞膜透性及游离脯氨酸含量的影响
• 5.2 高温下两水稻品种热激蛋白反应的异同
• 5.3 两水稻品种剑叶Rubisco大、小亚基和蛋白含量的热稳定性
• 5.4 高温对水稻剑叶和第2节间显微结构的影响
• 6. 结论
• 第二章 光温敏核不育水稻育性温度敏感性差异分子机理研究
• 1. 前言
• 1.1 光温敏雄性核不育性与两系法杂交水稻的应用安全性
• 1.2 光温敏核雄性不育遗传生理基础主要研究机理
• 1.3 不育临界温度值不同的培矮64S近等基因系P2364S、P2864S育性温度敏感性特征
• 1.4 基因芯片技术在植物研究中的应用
• 1.5 研究目的
• 2. 材料
• 3. 实验方法
• 3.1 总RNA的提取和纯化
• 3.2 定量和检测总RNA
• 3.2.1 紫外定量和检测
• 3.2.2 变性胶电泳质检
• 3.3 cDNA的合成和纯化
• 3.4 cRNA的合成、纯化和片段化
• 3.5 芯片杂交
• 3.6 基因芯片数据分析
• 4.2 基因芯片检测的质量判断
• 4.3 基因芯片数据的分析
• 4.4 差异表达基因的生物信息学分析
• 5. 讨论
• 5.1 P2364S和P2864S在23.5℃时的育性反应特性
• 5.2 P2364S和P2864S育性温度敏感性差异基因筛选
• 6. 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录