低温胁迫下白菜型冬油菜差异蛋白质组学及光合特性分析

分离鉴定白菜型冬油菜低温差异表达蛋白质, 从蛋白质组角度揭示白菜型冬油菜抗寒机理奠定基础。以强抗寒白菜型冬油菜陇油7号为材料, 采用双向电泳和质谱分析技术, 比较低温(4°C、–4°C)和常温(25°C/20°C)下叶片蛋白质组差异;对差异蛋白进行KO和KEGG功能分析。结果表明,低温下陇油7号生长点下陷、植株匍匐, 气孔处于关闭或半关闭状态。2-DE和PDQuest8.0.1软件分析表明, 常温和4°C低温下叶片蛋白质斑点数分别726、738;相对于常温处理, 4°C低温下陇油7号叶片10个蛋白点特异表达、5个蛋白点未表达;MALDI-TOF-TOF MS质谱分析鉴定出11个蛋白质, 参与碳水化合物代谢、糖代谢、氨基酸代谢、有机酸代谢、核酸代谢、信号转导与细胞通讯等细胞过程。冰晶形态显微观察结果表明低温处理后陇油7号叶片蛋白质提取液中含有高活性抗冻蛋白(antifreeze proteins, AFPs)。鉴定的11个蛋白质中, 有5个蛋白质点与光合作用有关, 低温下陇油7号叶片1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPCase)活性和净光合速率Pn下降。叶片Pn下降与RuBPCase表达抑制和活性降低有关, 非气孔限制是Pn下降的主要因素;高活性抗冻蛋白在白菜型冬油菜抗寒中发挥重要作用。     

白菜型冬油菜根颈直径与抗寒生理指标的相关性研究

为了解油菜根颈直径与抗寒相关性状间的相关性,本试验以4个白菜型冬油菜作为试验材料,对越冬后的白菜型冬油菜进行根颈直径、越冬率、过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量等的测定。结果表明,根颈直径与越冬率、过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量达到显著和极显著正相关,并且陇油7号×天油2号的根颈直径、越冬率、过氧化氢酶活性和可溶性蛋白含量均高于天油2号×陇油7号,说明母本抗寒性的强弱对杂交后代的抗寒性起着决定性的作用;根颈直径与油菜抗寒性间是密切相关的,即抗寒性越强的油菜品种,其根颈直径越大,且可将根颈直径作为鉴定白菜型冬油菜抗寒性强弱的形态指标。     

白菜型冬油菜反复低温与恢复过程中叶片的差异蛋白分析

为了从蛋白质分子生物学方面研究白菜型冬油菜不同抗寒品种低温逆境及恢复条件下相关蛋白的响应机制,揭示大田生产中冬油菜抵御突发骤变低温伤害的抗寒机理,以超强抗寒冬油菜品种陇油7号和弱抗寒品种天油2号为材料,在培养箱培养至幼苗五叶期时,模拟北方寒旱区冬油菜返青期倒春寒环境,运用双向电泳结合质谱技术,分析其幼苗在低温(4℃)-恢复(20℃)-低温(4℃)-恢复(20℃)过程中存在的蛋白及其差异表达量。研究表明低温胁迫与恢复过程中,有2个蛋白点发生了显著差异的丰度变化,它们分别是半胱氨酸型氧化还蛋白过氧化物酶(定义为1号蛋白)和一种未知蛋白(2号蛋白)。且不同抗寒性品种存在2种不同蛋白的差异表达机制,1号蛋白在抗寒性较弱的天油2号低温胁迫恢复过程中表现出上调-下调-上调的变化趋势,抗寒性较强的陇油7号中此蛋白在第一次低温胁迫后消失,而出现了另外一种未知蛋白(蛋白2),且在低温胁迫恢复过程中也表现出上调-下调-上调的变化趋势,并且表达量高于天油2号中的蛋白1,因此,这种未知蛋白2可能是陇油7号抗寒性强于天油2号的原因之一。     

白菜型冬油菜叶片结构和光合特性对冬前低温的响应

为明确白菜型冬油菜在冬前低温下叶片结构特征、光合作用特性及其抗寒性,本研究在0℃和–7.6℃自然低温条件下,选用白菜型冬油菜品种陇油7号(超强抗寒)和天油4号(弱抗寒),测定并比较其叶片气孔性状、解剖结构和光合、荧光参数的日变化等指标。结果表明,随着冬前温度下降,2个白菜型冬油菜叶片气孔密度、气孔面积、气孔周长、栅栏组织和海绵组织厚度均变小,细胞间隙变大,叶片变薄;P_n日变化呈"单峰"型曲线,无光合"午休"现象;叶片的P_n、G_s、T_r和CE均降低,而C_i均升高,说明是非气孔限制引起P_n降低。白菜型冬油菜在冬前低温条件下发生了光抑制现象,表现为F_m和F_v/F_m下降,F_o上升。与超强抗寒品种陇油7号相比,弱抗寒品种天油4号叶片气孔密度和气孔面积均较大,气孔总周长较长,叶片较厚,P_n、F_m和F_v/F_m均较高,说明冬前低温条件下,天油4号光合能力较强,光抑制程度较弱。白菜型冬油菜在冬前低温条件下的叶片气孔密度越大、气孔面积越大、气孔周长越长、叶片及栅栏组织和海绵组织越厚,光合能力越强,地上部生长越旺盛,品种抗寒性越差。本研究为冬油菜抗寒种质创新和育种提供了部分理论支撑。     

白菜型冬油菜抗寒性与生理生化特性关系

为了了解渗透物质与油菜抗寒能力的关系,本研究以2个白菜型冬油菜陇油6号和天油4号为试验材料,通过冷冻处理,对油菜根部相对电导率和叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、可溶性蛋白、丙二醛(MDA)等一系列生理生化指标进行了检测。结果表明,陇油6号(DQW-1)的抗寒能力强于天油4号,陇油6号和天油4号的SOD和CAT活性、可溶性蛋白含量、MDA含量随着温度的降低均呈现出先上升后下降的变化规律。低温下耐寒性强的陇油6号能保持较高的SOD酶活性、CAT酶活性、可溶性蛋白和较低的MDA含量。因此,SOD和CAT活性、可溶性蛋白和MDA含量在一定程度上能反映白菜型冬油菜的抗寒性。     

白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒机理差异的研究

为探究白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒机理差异的原因。以8个抗寒性不同的冬油菜品种为材料,采用大田试验和盆栽试验相结合的方法,待油菜长至5~6片真叶时,大田试验进行植物学形态,干物质积累量的测定,盆栽试验按24℃→10℃→5℃→0℃→-5℃→-10℃各48 h依次降温处理后测定生理生化指标。结果表明,白菜型冬油菜冬前生长点洼陷,幼苗匍匐生长,干物质积累主要集中在地下部分,其中白菜型冬油菜地下部鲜质量与地下部干质量较甘蓝型冬油菜平均增加了236.1%,263.0%,说明抗寒性强的冬油菜能够在营养生长阶段将光合有机产物优先运输到地下部,建立庞大的根系,为安全越冬提供代谢能量。随着温度的变化,不同类型冬油菜的生理生化活性有较大的差异,-5℃时陇油7号SOD活性较CK增加了10.7%,0℃时陇油7号CAT、POD活性较CK分别增加了24.7%,28.6%,而0℃时白菜型冬油菜SP含量较甘蓝型冬油菜平均增加了32.3%,-10℃时白菜型冬油菜的SS含量较甘蓝型冬油菜平均增加了71.4%,-10℃甘蓝型冬油菜MDA含量较白菜型冬油菜平均增加了52.8%,这说明抗寒性强的品种在低温条件下能够保护自身免受损伤,其中CAT、POD、SP是抵抗冷害的保护性物质,SOD、SS是抵御冻害的保护性物质。白菜型冬油菜比甘蓝型冬油菜在形态学及生理水平上都具有明显的优势,形态学上的优势使其有利于抵御极端低温天气,提供维持越冬及冬后返青所需的代谢能量;生理水平上,低温胁迫后保护性酶活性、调节性物质含量增加,能够有效地保护细胞膜结构,MDA含量减少,可以缓解低温对冬油菜叶片的伤害,从而保证高越冬率,为北方白菜型与甘蓝型冬油菜抗寒性研究提供理论依据。     

东农冬麦1号越冬期抗寒性及其机理研究

为明确东农冬麦1号低温下抗寒性与脂肪酸变化的规律特点,以杭寒品种东农冬麦1号和对照品种济麦22为材料,设定连续降温的温度处理,从冬小麦生长的低温驯化期至越冬期气温最低的时期进行取样,测定其电导率和脂肪酸含量,结合Logistic方程计算半致死温度(LT50)并对东农冬麦1号和济麦22的抗寒性进行初步评价。结果为:田间条件下东农冬麦1号的半致死温度为一22.4℃,济麦22为一14.2℃;低温下东农冬麦1号的不饱和脂肪酸含量显著高于对照品种济麦22,而饱和脂肪酸含量则低于济麦22,饱和脂肪酸中棕桐酸的比例较高,不饱和脂肪酸中亚麻酸的比例较高,低温下东农冬麦1号的棕桐酸含量低于不杭寒品种济麦22,而亚麻酸含量则高于济麦22。低温下杭寒品种东农冬麦1号增加膜脂流动性的不饱和脂肪酸含量保持较高水平可能是其抗寒的关键原因。     

榛树叶片膜脂脂肪酸组成与其耐寒性的关系

分析了耐寒性不同的6个榛树品种及其叶片膜脂、膜极性脂的脂肪酸组成与含量。榛树叶片膜脂脂肪酸主要是棕榈酸(C16:0)、棕榈油酸(C16:1)、硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)、亚油酸(C18:2)、亚麻酸(C18:3)、二十二烷酸(C22:0)和二十四烷酸(C24:0);膜极性脂的脂肪酸主要是棕榈酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)、油酸(C18:1)、亚油酸(C18:2)和亚麻酸(C18:3)。研究结果表明,榛树叶片膜脂不饱和脂肪酸含量高低与榛树的耐寒性强弱成正相关;榛树叶片膜极性脂不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值与榛树的耐寒性相关,耐寒性强的榛树的种子具有较高的不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比值。     

白菜型冬油菜叶片质外体蛋白提取及响应低温胁迫的蛋白表达分析

为了研究质外体蛋白在低温胁迫下白菜型冬油菜抗寒的作用机理,以陇油7号五叶期叶片为试材,采用2种不同提取液(提取液A:0.1 mol/L p H值=7.6 Tris-HCl、0.2 mol/L KCl、1 mmol/L PMSF,提取液B:0.05 mol/L p H值=7.6 Tris-HCl、0.01 mol/L EDTA-Na2、0.02 mol/L Vc、1 mmol/L PMSF)进行质外体蛋白提取效果比较。结果表明:提取液A的蛋白提取率达到了(0.073±0.004 6)mg/g,比提取液B提高了42.88%;经六磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH)活性检测,提取液A提取的蛋白质污染率较提取液B低0.91%;双向电泳第一向等电聚焦IEF中,提取液A提取的蛋白质不仅除盐时间较提取液B短4.5 h,且获得的凝胶图谱清晰;通过丰度计算,得到陇油7号低温胁迫(4℃,48 h)后具有显著差异的蛋白点339个,其中表达量变化在2倍以上的蛋白点为46个,包括上调表达蛋白点18个,下调表达蛋白点21个,特异性表达蛋白点7个,推测这些差异蛋白点可能与低温胁迫有关。对特异表达的7个蛋白点进行质谱分析鉴定,得到与低温胁迫相关的蛋白,为白菜型冬油菜超强抗寒品种陇油7号抗寒相关分子机理的研究奠定了基础理论。     

北方寒旱区白菜型冬油菜安全越冬的临界指标分析

利用2011-2014年北方13个省、市、区48个不同生态点试验的数据,分析不同品种在不同生态点的越冬率、产量变化,越冬率与产量的相关性,旨在研究白菜型冬油菜在北方不同生态区的越冬安全性,确定北方冬油菜通用的安全越冬的越冬率临界值,明确影响北方冬油菜越冬率的主要因子。结果表明,不同白菜型冬油菜品种在北方不同生态地区越冬率差异较大,产量也差异较大,越冬率变幅为10%~99%,强抗寒品种越冬率>70%。回归分析表明,越冬率与产量存在明显的线性正相关,回归方程符合y=ax+b, 当越冬率<70%时,产量随越冬率的增加而增加,当越冬率为70%时单位面积产量基本趋于稳定, 越冬率大于70%时,越冬率对产量的影响不明显。协方差分析表明,与冬油菜越冬率相关性最为密切的因子是品种,其次是极端最低气温、冬季气温、年均气温、≤0℃的冬季负积温、纬度、经度等。因此,70%的越冬率可作为北方地区冬油菜通用安全越冬的越冬率临界值,采用强抗寒品种,极端最低气温–31.79℃、冬季气温–7.20℃、年均气温6.38℃、负积温–997.57℃,纬度低于44.83°,经度高于80.34°是保证冬油菜安全越冬的必要条件。     

北方旱寒区北移冬油菜生长发育特性

采用多点试验,对冬油菜在原种植区(天水)与北移种植区(张掖等)的主要气候因子、越冬率、生育时期及经济性状进行分析比较。研究结果表明,冬油菜北移后越冬率由原种植区的93.0%~100.0%降为40.0%~95.0%;生育期由280~284 d延至287~289 d,其冬前与冬后生长期缩短,而越冬期延长1倍左右,即140 d左右,整个生长期呈"短-长-短"的特点,即营养生长有效期缩短及营养生长至生殖生长的过渡期均缩短;株高与分枝部位降低,分枝数减少,单株角果数减少,但千粒重、角粒数等相对增加。冬油菜北移后产量发生了较大变化,抗寒性弱的早熟品种天油8号由原种植区的2 518.8 kg hm-2降为1 666.5 kg hm-2,减产34.0%,而抗寒性强的晚熟品种陇油6号等由原种植区的741 kg hm-2增加到3 333 kg hm-2,增幅349.5%。由于生长在相对恶劣的气候生态条件下,越冬期漫长而极端低温低,北移冬油菜栽培品种必须具备优异的抗寒性,同时采用合理播期和密度,保证冬前营养生长期和营养生长量,以确保安全越冬。     

The Effect of Chilling Maize Shoots and Roots on the Electric Potential, Composition of Fatty Acids and the ATPase Activity in the Non-chilled Organs of Seedlings

The effect of separate chilling (5°C for 2 and 4 days) on the shoots and roots of two maize hybrid seedlings on the electric potential, the composition of fatty acids and the ATPase activity in the microsomes of non-chilled leaves and roots (20°C) was investigated. It has been found that the low temperatures induced on the non-chilled organs gave similar changes to organs exposed to a reduced temperature. The changes consisted of a parallel depolarization of leaf and root membranes and similarly a decrease in the ATPase activity as well as changes in the unsaturation of the membranes' fatty acids. The reduction of the acid content 18:2 was particularly significant, which in the leaf microsomes correlated with a drop in the ATPase activity.
The similarity between the reactions of the chilled and non-chilled parts of the plant gives evidence of a communication' between the organs which may facilitate a coordinated reaction of the entire organism to stress. The background for these phenomena could be die action potential of die chilled parts of seedlings which, in the non-chilled parts, might produce changes in the structure of biomembranes and in the activity of enzymes.     

花铃期增温对棉花干物重累积的影响及其生理机制

以遗传背景相近的棉花(Gossypium hirsutum L.)品种泗棉3号和泗杂3号为材料,于2010年在南京农业大学牌楼试验站(118º50′E, 32º02′N)模拟全球温室化气候,研究花铃期增温对棉花干物质累积的影响及其生理机制。结果显示,增温2~3℃(龄期日均温33.5~35.2℃)的条件下,主茎功能叶SPAD值降低,蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)上升,但净光合速率(P_n)下降;棉铃对位叶可溶性蛋白含量大幅上升(Δ%>50%)、可溶性糖及可溶性氨基酸含量小幅下降(P<0.05)、C/N值显著下降(P<0.05);叶片POD、CAT活性大幅下降、MDA含量显著上升;泗杂3号相关指标变化幅度较泗棉3号小。说明尽管2~3℃的增温幅度较小,但在花铃期日均温(33.5~35.2℃)的条件下,植株已处于显著的热胁迫状态,光合产物累积能力受到抑制,棉铃对位叶光合产物输出能力显著下降, 棉株总干物质累积量下降20%左右;增温条件下植株水分吸收能力下降并因此受到一定程度的水分胁迫,但此条件下光合能力下降主要由非气孔因子所致,与叶片膜结构的严重受损关系密切;泗杂3号抗高温能力高于泗棉3号。     

不同小麦品种产量对冬前积温变化的响应

为确定河北省中部地区小麦品种适播期,筛选耐迟播品种,2011年秋至2014年夏在河北藁城采用播期×品种二因子裂区试验,研究了不同播期对当地12个主栽小麦品种产量的影响以及不同品种对冬前积温的响应。结果表明,播期对小麦产量有显著影响;不同品种对播期响应差异明显,分为迟钝型、中间型和迟播敏感型。迟钝型品种对播期不敏感,适播期长,冬前≥0℃积温范围为324~560℃,迟播后穗数和产量稳定;中间型品种适播期较长,积温范围为362~566℃,迟播后粒数增加,穗数和产量降低;迟播敏感型品种对播期敏感,适播期较短,积温大于511℃,不宜晚播,晚播后穗数和产量明显下降。在试验地区,推荐小麦适播期为迟钝型品种10月7日至22日、中间型品种10月7日至19日、敏感型品种10月5日至10日。     

基于生物量的油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型

油菜越冬前的形态建成是油菜苗后期乃至整个生长中、后期的物质基础,叶片是该期最重要的营养器官。为了明确油菜植株的形态结构要素与器官生物量的关系,以3个甘蓝型油菜品种为材料,于2011—2013年分别设置品种和肥料试验、品种、肥料和密度试验、品种试验,越冬前测定油菜植株不同叶位叶片形态指标,分析油菜主茎叶片形态参数与叶片干物重的关系,构建了基于生物量的油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型。建模后以独立试验数据检验,除短柄长、叶切角和叶弦角、不施肥品种叶片干物重分配系数值(partitioning coefficient of leaf blade dry weight,CPLB)误差较大外,油菜越冬前植株叶片空间形态结构模型观察值与模拟值一致性较好,所建模型可靠性较高,具有一定的解释性。     

抽穗和灌浆早期高温对耐热性不同籼稻品种产量的影响及其生理原因

选用4个耐热性不同的籼稻品种,分别于抽穗(始穗后0~10 d)和灌浆早期(始穗后11~20 d)进行高温(白天温度>33℃)处理,以同期自然温度(白天温度<30℃)为对照,研究高温对产量的影响及其生理机制。结果表明,与对照相比,高温处理显著降低热敏感品种的花粉可育率、受精率,而耐热品种与对照无显著差异。高温胁迫明显降低热敏感品种的结实率,导致产量显著下降,且抽穗期高温处理影响大于灌浆早期处理。高温胁迫显著增加耐热品种黄华占叶片的抗氧化酶活性,对热敏感品种影响不大。高温胁迫显著降低热敏感品种籽粒ATP酶活性,耐热品种结果则相反。高温处理增加两类品种叶片温度和丙二醛(MDA)含量,降低根系活力和叶片光合速率,耐热品种增降的幅度显著小于热敏感品种。在高温胁迫下较低的叶片温度,较强的根系活力和抗氧化保护系统能力及较高的籽粒ATP酶活性是耐热性品种保持较高产量的重要生理原因,也是耐热品种的重要生理特征。