外源脱落酸和水杨酸对小麦穗发芽的抑制效应及作用机理

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穗发芽(pre-harvest sprouting,PHS)指潮湿环境条件下,收获前籽粒在穗上发芽的现象。小麦穗发芽是世界性的农业灾害,严重影响小麦的产量和品质,是小麦生产上急需解决的重大问题。长期以来,国内外学者从穗发芽鉴定方法、穗发芽生理、穗发芽产生的遗传基础等多方面进行了大量研究,表明小麦穗发芽是受多个遗传系统调控和环境影响的复杂数量性状。控制穗发芽的途径主要有两种;一是选用抗(耐)穗发芽的品种,二是化学防控途径。由于存在多个控制穗发芽的遗传分量,在抗(耐)穗发芽种质资源和优良抗性基因普遍匮乏的情况下,短时间内通过遗传改良的手段难以培育过硬的抗穗发芽品种。上世纪70年代以来,作物化控技术获得重大发展,穗萌抑制剂具有成本低、周期短、使用方便等特点,开发应用一批行之有效的穗发芽抑制剂成为小麦穗发芽防治的有效途径。  本研究对不同浓度脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)及其组合对小麦种子和整穗萌发的抑制效应进行比较,选择适宜的外源激素浓度和组成,为小麦新型穗萌抑制剂的开发提供参考依据。通过生化分析小麦种子对外源激素处理的生理响应,以及采用荧光定量PCR技术揭示外源激素对种子萌发相关基因转录水平上的表达影响,进一步阐明外源激素抑制种子萌发的生理生化基础和分子机理。主要研究结论如下:⑴ABA对种子萌发的抑制效应受品种的ABA敏感性和自身发芽能力的影响,SA则对不同基因型小麦具有较强的萌发抑制能力,二者抑制种子萌发的方式不同,组合使用对种子萌发的抑制效应更加强力、持久。⑵ABA和SA抑制种子萌发具有剂量效应,随着处理时间延长,激素处理种子的发芽恢复能力降低,含有SA的处理组发芽力急剧下降,表明其发芽抑制作用更加持久稳定。⑶在人工模拟自然潮湿环境的强选择压力下,相对低浓度的SA与ABA组合对不同品种仍具有强烈的发芽抑制作用。然而,品种之间激素的发芽抑制效应有差异,可能与籽粒成熟度或品种休眠程度不同有关。SA与ABA组合可进一步用于新型小麦穗萌抑制剂的开发。⑷ABA和SA对萌发种子α-淀粉酶、PPO活性均有负调控作用,且表现剂量效应。随着时间推移,ABA不能有效抑制两种酶活性的升高,而SA对两种酶活性的抑制强度明显高于ABA,SA+ABA组合的酶活性抑制作用最强且持久。⑸种子自然萌发过程中,PAL活性逐渐升高,ABA对PAL活性有强烈的诱导和促进作用。相对而言,SA及其与ABA组合处理的种子PAL水平较低、变幅较小。⑹种子自然萌发过程中,TaWRKY71表达量低或者不表达;ABA和SA能够诱导促进Ta WRY71的转录表达,且SA对TaWRKY71表达的诱导作用更强;ABA+SA组合更加稳定地促进TaWRKY71表达。⑺SA和ABA能显著抑制小麦TaAmy1淀粉酶基因的表达,单一SA或与ABA组合对TaAmy11表达的抑制效应大于ABA,且SA+ABA组合的抑制效应更加稳定、持久。⑻SA和ABA处理的小麦TaWRKY71和TaA my1基因表达量呈负相关,ABA对TaGA20ox11表达有显著抑制作用,而SA对TaGA20ox1表达无明显影响。推测ABA可能阻遏GA合成和诱导Ta WRKY71表达,SA则主要通过诱导、促进Ta WRKY71的表达,从而抑制TaAmy1的活化表达。
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