玉米逆境响应基因ZmGST23克隆和表达分析

谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione S-transferases,GSTs)是植物抗氧化系统的重要成员,在初生代谢、次生代谢、细胞信号转导及逆境响应等生物学过程中发挥着重要作用.本研究以GenBank中公布的玉米谷胱甘肽-S-转移酶23基因(ZmGST23)mRNA序列(GenBank登录号:NM_001111524)为依据,采用RT-PCR方法从玉米(Zea mays)自交系F83中克隆得到ZmGST23基因669 bp的完整开放阅读框(open reading frame,ORF),编码222个氨基酸,蛋白分子量为24.84kD,理论等电点为5.68.保守结构域分析表明,该基因具有GSTs所特有的N端及C端结构域,并含有典型的G位点及H位点,属于Tau类谷胱甘肽硫转移酶.系统进化分析表明,ZmGST23编码蛋白与高粱(Sorghum bieolor)GST蛋白亲缘关系最近,且在不同物种间存在明显的种属特性.启动子序列分析结果显示,ZmGST23基因启动子区含有多个响应逆境及植物激素的作用元件,包括脱落酸(abscisic acid,ABA)响应元件、生长素(auxin,IAA)响应元件、赤霉素(gibberellin,GA)响应元件、厌氧响应元件、防御及逆境响应元件以及干旱诱导的MYB转录因子(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog,MYB)结合位点.胁迫诱导表达分析表明,ZmGST23的表达显著受干旱脱水、水涝、盐、ABA、IAA、GA、低温及高温等非生物胁迫的诱导.组织特异性表达分析表明,ZmGST23基因在幼芽和成熟叶片中表达量较高,在幼根、花丝、苞叶、雌穗及雄穗中表达量较低,存在明显的组织特异性.将ZmGST23基因片段连接至原核表达载体pEASY-E1中,转化大肠杆菌(Escherichia coli)BL21,用0.5 mmol/L的异丙基硫代半乳糖苷(isopropylβ3-D-1-thiogalactopyranoside,IPTG)诱导表达1～4 h后获得30 kD的诱导蛋白.本研究结果为进一步利用该基因进行玉米抗性改良提供了一定的理论依据.     

水引发对‘郑单958’玉米种子萌发及幼苗生理特性的影响

以‘郑单958’玉米杂交种种子为材料,25℃恒温下,采用控制加水量法分别进行3、6、12、20、24和35h的水引发处理,测定处理后种子的水浸电导率、丙二醛(MDA)、可溶性糖、可溶性蛋白、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性,同时测定种子发芽相关指标、幼苗形态及相关生理指标(可溶性糖、可溶性蛋白、过氧化氢酶、过氧化物酶)。结果表明,与对照(CK 1和CK 2)相比,适宜时间(12h)的水引发处理下种子水浸电导率及MDA质量摩尔浓度显著下降,相关保护酶活性增强。同时,12h的水引发处理促进种子的萌发,幼苗苗长、鲜质量和干质量显著高于对照,保护酶活性增强,可溶性糖、可溶性蛋白质量分数增高,但引发时间过长(35h),会造成种子活力明显下降、部分胚根突破种皮,幼苗长势减弱。     

外源硫化氢对PEG模拟干旱胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响

为明确干旱胁迫下外源硫化氢(H2S)对植物幼苗的缓解作用,以玉米自交系郑58为试验材料,研究了不同浓度(0、0.3、0.6、0.9、1.2及1.5 mmol·L-1)的H2S供体硫氢化钠(Na HS)对15%PEG模拟干旱胁迫下玉米种子萌发的影响,并以筛选到的最佳Na HS浓度对幼苗进行叶面喷施,研究其对幼苗叶片抗氧化酶活性、抗氧化剂含量、游离脯氨酸(Pro)和活性氧(ROS)的积累特征及膜质过氧化水平的影响。结果表明,不同浓度的Na HS处理在一定程度上提高了干旱胁迫下玉米种子的发芽势、发芽率及幼苗的生物量,其中以0.6 mmol·L-1的Na HS处理效果最佳。叶面喷施0.6 mmol·L-1Na HS溶液显著增强了叶片中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)及抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性,提高了叶片中抗坏血酸(As A)和谷胱甘肽(GSH)的含量。同时,外源H2S处理增强了玉米叶片中△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)的活性,提高了叶片中游离Pro含量,显著降低了叶片中过氧化氢(H2O2)及丙二醛(MDA)含量。综上,外源H2S处理通过提高幼苗的抗氧化水平,减少干旱胁迫对玉米叶片造成的氧化损伤,在一定程度上提高了玉米幼苗对干旱胁迫的适应能力。本研究为进一步探索H2S缓解玉米干旱胁迫的机理提供了理论依据。     

钙对低温胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响

【目的】研究外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根系保护酶活性、玉米种子萌发及幼苗生长的影响,以期为提高玉米苗期抗寒性及玉米抗寒育种提供理论依据.【方法】以‘郑单958’玉米种子为试验材料,用不同浓度(0、5、10、15、20mmol/L)的CaCl2溶液处理低温胁迫下的玉米种子,研究低温胁迫下CaCl2对玉米种子萌发和幼苗生长的影响.【结果】低温明显抑制了玉米种子的萌发,影响了玉米苗高和根长的增加,抑制了脯氨酸和可溶性糖含量的累积,提高了丙二醛(MDA)含量.一定浓度的外源钙(5~15mmol/L)可提高低温胁迫下玉米种子的发芽率,提高玉米幼苗根系脯氨酸含量的积累,抑制丙二醛含量的增加.【结论】不同浓度钙对低温胁迫的缓解程度不同,适宜浓度的外源钙(5~15mmol/L)能明显改善低温胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用,提高玉米幼苗对低温胁迫的适应性,增加玉米种子萌发和幼苗正常生长的能力.浓度为10mmol/L的CaCl2溶液处理对玉米低温胁迫的缓解效果最佳.     

灌水量及覆膜对河西地区制种玉米产量的影响

探讨了地膜覆盖方式(全膜覆盖、半膜覆盖和未覆膜)与灌水量[7 050(高)、6 050(中)、5 050 m3/hm2(低)]对制种玉米产量的影响,旨在为河西地区制种玉米节水增效提供理论参考和科学依据。结果表明,覆膜方式、灌水量均对制种玉米产量、双穗率、穗粒数、粒质量及水分利用效率影响显著,二者的互作效应对玉米产量、双穗率、穗粒数、水分利用效率的影响达显著水平,但对粒质量无显著影响。全膜覆盖条件下,高灌水量和中灌水量处理的制种玉米田,产量分别为8 052.5、7 821.4 kg/hm~2,分别显著高于半膜覆盖和未覆膜条件下同等灌水量处理,且全膜覆盖中灌水量处理水分利用效率最高,为9.50 kg/(mm·hm~2)。全膜覆盖下高、中灌水量和半膜覆盖下高灌水量的双穗率和粒质量显著高于其他各处理。地膜覆盖显著改善了制种玉米生育期内耕层土壤水热状况。通径分析显示,在河西地区,对制种玉米产量因素的影响顺序为:双穗率(直接通径系数1.26)穗粒数(0.93)粒质量(0.68)0~25 cm土壤温度(0.41)0~30 cm土壤含水量(0.35)。由此说明,适宜的地膜覆盖方式与灌水量通过改善土壤水热提高制种玉米的双穗率和粒质量,最终形成较高的制种产量。综合分析认为,全膜覆盖并采用中等灌水量,可作为河西地区制种玉米节水栽培的主要技术措施。     

多胺氧化酶(PAO)调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制

以长中胚轴玉米自交系PH4CV为材料,在黑暗和光照两种处理条件下研究了玉米中胚轴长度与多胺氧化酶(Polyamine Oxidase, PAO)活性、H₂O₂含量、过氧化物酶(peroxidase, POD)活性及木质素含量的关系。通过添加5 mmolL^-1 PAO抑制剂2-羟乙基肼(2-hydroxyethylhydrazine, 2-HEH)和5 mmolL^-1 H₂O₂清除剂N,N’-二甲基硫脲(N,N’-Dimethylthiourea, DMTU)及组织化学染色,研究了影响中胚轴伸长的H₂O₂来源及其积累部位。采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)方法,探究了光对ZmPAO基因表达的影响。结果表明,光照处理显著抑制了玉米中胚轴的伸长,同时显著增加该部位的PAO活性、H₂O₂含量、POD活性及木质素含量。相关性分析表明,玉米中胚轴长度与PAO活性、H₂O₂含量和木质素含量呈极显著负相关,与POD活性呈显著负相关;PAO活性与H₂O₂含量、POD活性和木质素含量均呈正相关。外源PAO抑制剂和H₂O₂清除剂处理试验,玉米中胚轴表皮纵切面细胞长度显微观察及中胚轴H₂O₂组织化学染色表明,PAO氧化分解多胺(Polyamines, PAs)产生的H₂O₂参与了中胚轴细胞伸长的生理调控,从而抑制了中胚轴的伸长。表达分析表明,ZmPAO基因在黑暗环境下的表达量相对稳定,光刺激0.5 h后表达量迅速升高,3 h后达到最大值,随后逐渐下降,10 h后趋于稳定。本研究表明,PAO在接受光刺激后活性升高,氧化分解PAs产生H₂O₂,从而诱导POD氧化胞壁的单木质醇并聚合为木质素,使细胞壁硬化,造成细胞伸长受阻。研究结果为进一步探讨PAO活性调控光诱导玉米中胚轴伸长的生理机制和阐明玉米中胚轴对光逆境的响应机理提供了理论依据。     

3种标准发芽试验方法对玉米种子发芽的影响

以郑单958种子为材料,在种子发芽期间采取补水和干旱2种水分管理模式,对国内外广泛采用的BP-纸间法、S-沙床法和先锋BP-纸间法3种发芽试验方法检测结果的准确性、操作过程的标准化及幼苗形态指标进行了分析比较。结果表明：在相同温度下,水分是影响种子发芽试验结果的关键性因素,国内普遍采用的BP-纸间法和S-沙床法,在补水处理下发芽率为93%和92%,变异系数为2.82%和5.82%;在干旱处理下,发芽率较低,分别为92%和89%,且重复间差异较大,变异系数为4.71%和6.43%;先锋BP-纸间法发芽率为96%,重复间差异较小,变异系数仅为1.00%;3种试验方法在不同处理下,幼苗苗长、根长及鲜重差异均极显著。认为,先锋BP-纸间法操作标准化、管理规范,是一种快捷、准确、值得推广的玉米发芽试验方法。