生长素调控棉花蔗糖代谢的生理生化机制研究

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棉花作为重要的纤维作物,提高棉纤维的品质和产量一直都是棉花育种工作的主要任务和方向。植物内源激素作为关键的信号调控因子,在棉花发育的各个阶段扮演重要角色,本研究采用的IF11转基因材料,其生长素含量在棉纤维起始发育阶段适度上调,进而使棉纤维的品质和产量都得到不同程度的提高。蔗糖不仅作为纤维素合成过程中重要的中间过渡产物,同样可以作为信号调控分子影响棉纤维发育过程中的蔗糖代谢,改变相关反应酶的活性,进而影响纤维素的合成,最终影响棉纤维的品质和产量。本研究采用20 mg·L-1的外源IAA溶液处理冀棉14(JM14)和陆地棉标准系TM-1种子,并结合IF11内源IAA含量特异性上调的特点,从外源施加和内源调控两个方面研究特定时期生长素和蔗糖含量以及蔗糖代谢相关酶活性的动态变化,以及对种子萌发,苗期生长,叶片光合作用,棉纤维发育及产量和品质等方面的影响,探究IAA含量动态变化与蔗糖代谢之间的关系,以期更深入地研究IAA和蔗糖代谢在棉纤维发育过程中所起到的作用,为改良纤维品质和提高产量提供基础的理论依据。主要结果如下:(1)本研究对比其它测定植物激素(赤霉素、生长素和脱落酸)和可溶性糖(果糖、葡萄糖和蔗糖)的方法,并结合试验结果精确度的要求,从改良样品提取方法,色谱条件等方面入手,优化建立快速测定激素和可溶性糖含量的高效液相色谱法,并绘制成相应的标准曲线,回归曲线R2值都在0.999以上,呈现良好的线性关系。(2)通过采用20 mg·L-1外源生长素引发棉花种子,重点研究了发芽期间、苗期及盛花期的芽和叶片中果糖、葡萄糖和蔗糖等可溶性糖含量以及酸性转化酶、中性转化酶、蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶等蔗糖代谢相关酶活性的变化。结果表明,IAA引发棉花种子,提高了种子萌发期与苗期叶片的IAA含量,可显著促进种子萌发,缩短平均发芽时间,显著提高苗期生物量和叶片光合速率,并对发芽期间及苗期叶片果糖、葡萄糖和蔗糖等可溶性糖含量以及酸性转化酶、中性转化酶、蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶等蔗糖代谢相关酶活性的增加有明显的促进作用,但对盛花期叶片光合速率及可溶性糖含量与蔗糖代谢相关酶活性均没有明显影响。因此可认为IAA引发棉花种子的效应主要发挥在发芽期间与苗期,对中后期无明显效应;IAA可能参与棉花可溶性糖及蔗糖代谢相关酶活性的调控。(3)通过研究转iaa M种质材料IF11与JM14和TM-1的苗期和盛花期叶片光合作用,棉花叶片、胚珠和纤维中激素和可溶性糖含量,及蔗糖代谢相关酶活性的变化。结果表明,IF11由于iaa M基因在棉纤维起始发育时期特异性启动,导致开花前0~5天的胚珠内生长素含量显著高于JM14和TM-1,进而明显促进棉纤维的起始发育,并对纤维发育期间的果糖、葡萄糖和蔗糖等可溶性糖含量以及酸性转化酶、中性转化酶、蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶等蔗糖代谢相关酶活性的增加有明显的促进作用,纤维品质和产量得到不同程度的改善,同时发现盛花期叶片的光合作用也有相应的提高,但对苗期叶片光合速率及可溶性糖含量与蔗糖代谢相关酶活性均没有明显影响。另外通过纤维和种子发育过程中糖分含量的动态变化,发现两者之间可能存在相互竞争碳源的关系。
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