小黑杨生长生理及PAL对氮素处理的响应研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen6524
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氮素是植物体重要组分的基本元素,是生态系统生产力的主要限制因素之一,氮素的施加能够促进树木的生长,有助于林木提高产量,研究氮素对林木生长的影响具有重大的理论和实践意义。木质素含量是衡量林木木材特性的重要指标之一,研究表明在一定的条件下,随着氮素浓度的提高杨树木质素含量逐渐减少。PAL是木质素生物合成途径第一步中的关键酶和限速酶,对木质素的合成至关重要。本试验以小黑杨为研究对象,将氯化铵、硝酸钠和硝酸铵三种氮肥分别设置浓度为0.1 mmol·L-1、2 mmol·L-1和10 mmol·L-1对小黑杨进行室内培养,在研究氮素对小黑杨生长生理影响的基础上,探究木质素含量的改变是否有PAL基因的参与,进而了解PAL基因对氮素的响应,分析氮素、PAL及木质素三者之间是否存在联系。我们进行了以下相关实验,结果如下:(1)为了解杨树PAL基因的基本特征、结构及进化特点等,利用生物信息学方法,在毛果杨基因数据库中分析毛果杨PAL基因的特点,为了解小黑杨PAL基因作为参考基础。5个蛋白的理化性质相似,所有基因除PtrPAL4和PtrPAL5均在10号染色体外,PtrPAL1、PtrPAL2和PtrPAL3分别在6、8和16号染色体,5个蛋白主要分布在叶绿体中,5个蛋白的三级结构均为同源四聚体,且进化关系结果表明,杨树PAL基因与水稻和拟南芥的同源性很高。(2)为研究不同形态的氮素在高浓度和低浓度下对小黑杨生长表型的影响,选择了氯化铵、硝酸钠和硝酸铵三种氮素,并设置不同浓度(0.1 mmol·L-1、2 mmol·L-1、10 mmol·L-1),处理18天后,测量其生长表型,在0.1 mmol·L-1低氮条件下,株高地径、干重鲜重、叶面积测量值显著降低(p<0.05),而在10 mmol·L-1高氮条件下却显著增高(p<0.05),在不同形态氮素之间的比较结果表明,硝酸钠处理下的株高、地径、鲜重、干重及叶面积显著高于另外两种氮素处理(P<0.05);(3)为进一步了解小黑杨生长生理,测量了根、茎、叶中总氮、总碳含量,光合参数和叶绿素含量。结果表明,随着氮素浓度的提高,小黑杨的碳、氮含量呈上升趋势,且氮素浓度为10 mmol·L-1时叶绿素含量以及光合显著高于其他浓度(p<0.05),其中硝酸钠处理下的生理指标显著高于另外两种氮素(p<0.05);(4)为进一步了解木材特性的变化,测量了木质部面积以及木质素的含量。结果表明,0.1 mmol·L-1氮素处理下的小黑杨木质部面积显著低于正常氮素处理下木质部面积(p<0.05),10 mmol·L-1氮素处理下的小黑杨木质部面积显著高于其他处理(p<0.05);在相同浓度氮素处理下,硝酸钠处理的面积显著高于其他形态氮素的处理(p<0.05)。随着氮素浓度的升高,木质素的含量显著减少(p<0.05),且在不同形态氮素之间的比较结果显示,在同一氮素浓度下,硝酸钠处理下的木质素含量显著低于其他处理(p<0.05);(5)为了解氮素对木材品质的变化过程中是否会对PAL产生影响,我们测量了PAL的活性和在氮素处理下的表达水平。结果表明,0.1 mmol·L-1氮素处理下的小黑杨PAL活性显著高于其他浓度处理(p<0.05),说明低氮能够有效促进PAL活性增强。在同一浓度处理下,硝酸钠处理的PAL活性显著高于另外两种形态的PAL活性(p<0.05)。同时,PAL的5个基因的表达水平显示,0.1mmol·L-1氮素处理能够诱导PAL基因的表达,但是当氮素浓度为10 mmol·L-1时,就会抑制PAL基因的表达,使得在高氮处理下PAL基因的表达量降低。在不同形态氮素之间的比较结果显示,当氮素浓度为0.1mmol·L-1时,PAL2、PAL4、PAL5这三个基因在硝酸钠和硝酸铵处理下的表达量要低于氯化铵处理下的表达量,当氮素浓度为10mmol·L-1时,PAL1在硝酸钠处理下的表达量被抑制的最为明显,说明氮素浓度的高低能够影响PAL基因的表达,氮素的形态也会影响表达产生差异。
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