低钾胁迫下生长素和脱落酸调控玉米侧根分化及伸长的机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
31771725
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
赵新华
依托单位：
沈阳农业大学
学科分类：
C1310.麦类作物与玉米栽培学
结题年份：
2021
批准年份：
2017
项目状态：
已结题
起止时间：
2018-01-01 至2021-12-31

项目参与者：
于海秋；王婧；杜琪；程松；张艳正；
关键词：
脱落酸钾胁迫玉米生长素逆境生理

项目摘要

One of the effective approaches for maize to adapt potassium (K) deficiency is to stimulate lateral-root formation and elongation, regulate root architecture and improve K absorption and utilization efficiency from soil. However, the physiology mechanism of root regulation in K deficiency is still unclear. Based on our previous studies, we imagined that the IAA pathway and ABA pathway coordinately regulated maize lateral-root formation and elongation under K deficiency. In present study, four representative maize inbred lines screened from our previous studies, “90-21-3 and 099” tolerance to K+ deficiency and “D937 and 835” sensitive to K+ deficiency, were carried out to compare the difference with exogenous IAA and ABA application under +K and –K treatments. The important resistant traits will be investigated, including lateral-root formation and elongation, root architecture variation, cell sub-microstructure structure, ROS distribution, antioxidant enzyme activities, hormone level, expression of IAA and ABA transporters and K+ channel genes etc. This research should explore the relationship between IAA pathway and ABA pathway on regulating lateral-root development under K deficiency, and improve K utilization efficiency of maize breeding program.

玉米适应钾胁迫的重要途径是刺激侧根分化和伸长，调节根系构型，进而提高土壤钾素的吸收利用效率。然而，关于低钾胁迫下玉米调节根系构型变化的生理机制仍了解甚少。在前期研究基础上，本研究认为耐低钾玉米自交系促进侧根分化和伸长可能受生长素（IAA）途径和脱落酸（ABA）途径协同调节。本研究利用课题组前期筛选出的典型耐低钾（90-21-3、099）和不耐低钾（D937、835）玉米自交系为材料，在正常钾和低钾胁迫处理下，采用IAA和ABA途径外源处理，研究根系侧根分化和伸长、根系构型变化、细胞超显微结构、活性氧（ROS）分布、抗氧化酶活性、激素水平、转运蛋白和钾离子通道基因表达等方面内容，阐明IAA途径协同ABA途径调节侧根分化和伸长的生理机制，为玉米钾高效利用育种提高科学依据。

结项摘要

由于钾矿资源匮乏、钾肥利用效率低、耕地土壤钾不足，限制了我国玉米产量和品质的提高。玉米适应低钾环境的重要反应是刺激侧根生长，然而，针对低钾胁迫下玉米调节根系生长发育的生理机制仍然不明确。在前期基础上，本项目利用筛选出的典型耐低钾玉米自交系（90-21-3）和不耐低钾自交系（D937）开展长期定位低钾池栽和水培试验，采用外源IAA和ABA处理，系统研究低钾胁迫下IAA和ABA调控根系构型变化、超显微结构、ROS含量、抗氧化酶活性、激素含量、基因表达量及转录因子调控机理。结果表明：（1）低钾胁迫下，不耐低钾自交系叶片ROS显著增加，膜脂过氧化，叶绿体被破坏，光合受抑制，侧根减少，皮层结构被破坏，导管形状不规则，结构模糊，根系活力降低，核酸水解酶活性增加，促进核酸分解，DNA和RNA含量显著下降，侧根衰老腐解，而耐性材料受破坏程度较轻；（2）低钾胁迫下，添加0.01µmol/L NAA有效促进侧根萌发，优化根系结构，且不耐低钾材料变化更显著；提高根系活力及抗氧化酶活性，减少ROS积累，减轻细胞损伤，促进有机溶质和无机离子积累；不耐低钾材料诱导YUCCA、NCED、ABA2和PP2C基因表达，保持IAA含量，降低ABA积累量，促进侧根萌发和伸长；耐低钾材料调控CYP707和ABF基因表达，降低ABA含量，调节IAA/ABA，诱导PODs表达降低ROS积累，提高根系对低钾胁迫耐受性；（3）在低钾胁迫和0.01µmol/L NAA基础上添加0.5µmol/L ABA可显著降低总根长和侧根长；根尖细胞出现显著的质壁分离现象，细胞器开始降解，但还能保持完整的细胞结构；抗氧化酶活性和有机溶质含量显著降低，ROS积累量增加，MDA含量增加，细胞损伤；与根系结构相关基因大部分被下调，但与乙烯信号传导相关基因大部分被上调，限制了根系生长。本研究为逆境下激素调控作物根构型及养分高效育种提供科学依据。