油菜素内酯协同硝酸盐调控甘蔗根系生长与氮素吸收的机理研究

Sugarcane is the most important sugar-yielding crop of China and nitrogen is the most important nutrient for its growth and yield. The nitrogen application is proportional to nitrogen use efficiency of sugarcane and sugar output within a certain range. However over-fertilization of nitrogen is not only bad for yield but also causes severe environmental pollution. So the study of root biology and physiological mechanism of high NUE varieties in the process of nitrogen absorption and utilization shows important directive significance to the practical agricultural production. In this research, the brassinolide (BL) single chain variable fragment (scFv) will be constructed and specifically expressed in the root of sugarcane by an N-terminal Vicia faba legumin signal peptide. The immunoregulation of BL-scFv allows exploration and explanation of the mechanism when BL participates in the nitrate regulation of sugarcane root growth and root nitrogen absorption. And the aim of the project is to revealing the relationship between BL and indoleacetic acid (IAA), and the feedback adjustment between BL and high-affinity nitrate transport system. The research can provide theoretical basis for the improvement of sugarcane root nitrate uptake efficiency through further chemical regulation of BL and genetic engineering breeding techniques.

甘蔗是我国最重要的糖料作物，氮是其生长和产量形成最重要的营养元素。一定范围内氮肥施用量与甘蔗氮肥利用效率、蔗糖产量成正比。但盲目增加氮肥用量不但不利于甘蔗产量提高，还会造成严重的环境污染。因此研究氮高效甘蔗品种对氮肥高效吸收利用的根系生物学与生理机制对农业生产中实现控肥增产具有重要的指导意义。本课题将应用申请人前期工作中通过杂交瘤细胞融合技术筛选获得的强特异性识别油菜素内酯 (BL) 的单克隆抗体，构建BL单链抗体 (scFv)，并将其与信号肽连接后定位表达于甘蔗根系，获得转BL-scFv甘蔗植株作为研究材料。利用该抗体对甘蔗进行免疫调节，从BL与生长素 (IAA) 的激素互作调控机制、BL与甘蔗高亲和硝酸转运系统的反馈调节关系，双层面探讨BL协同硝酸盐调控甘蔗根系生长与氮素吸收的作用机理。该研究为下一步通过外源施加BL等化学调控措施和基因工程育种技术提高甘蔗根系氮素吸收效率提供理论依据。

甘蔗作为我国最重要的糖料作物，研究其高效利用氮肥的根系生物学与生理机制，对农业生产中实现控肥增产具有重要指导意义。目前，局部供应硝酸盐促进植物侧根生长的现象非常清楚，但对其生理机制还缺乏全面的了解。本项目通过前期不同氮效率甘蔗品种的大田培育筛选试验，初步选出了部分对氮素响应具有典型高低效应的甘蔗品种作为本项目的主要研究对象，并通过水培及组织培养方式，尝试探明植物激素油菜素内酯(BR)在甘蔗根系感知和传递硝酸盐信号中所起的作用。(1)设置不同低氮水平处理的水培实验，分析不同氮效率基因型甘蔗幼苗生物量、根系生长、氮素吸收及利用效率的差异，明确云瑞05-566为高氮高效-低氮高效基因型甘蔗，ROC10为高氮高效-低氮低效基因型甘蔗，德蔗03-83和Co285为高氮低效-低氮低效基因型甘蔗。(2)以筛选出的氮高效基因型甘蔗ROC10和氮低效基因型甘蔗Co285为材料，在低氮条件下进行第二轮水培试验，通过对甘蔗株高、侧根长度、植株生物量、氮积累量、氮利用效率及其根、茎、叶部位上的BR和生长素(IAA)含量进行测定，分析发现不同氮水平处理下，氮高效基因型甘蔗ROC10的株高、侧根长度、植株生物量、氮积累量均高于氮低效基因型甘蔗Co285，同时氮高效基因型甘蔗ROC10较氮低效基因型甘蔗Co285面对低氮的环境能作出更早、更强的响应。氮低效基因型甘蔗Co285在根、茎、叶上BR含量均高于ROC10。油菜素内酯的含量越多，表明其受到低氮胁迫作用越大，即Co285在相同氮水平下，对氮素的敏感程度会更高。ROC10的IAA含量在根、茎中均小于Co285，而在叶片中的IAA含量则大于Co285。Co285根、茎、叶中较高的BR促进了IAA的合成，而ROC10根、茎、叶中较低的BR则影响着植株中IAA的运输及重新分配，使其浓度更适合于根系的发育。(3)利用转录组的基因序列构建进化树，分析了甘蔗NRT2.1基因的进化关系。甘蔗的位置处于双子叶植物分支，与拟南芥最为相近，在序列一致性上达到了100%，可能说明甘蔗NRT2.1基因并非起源于关系较近的高粱及黍类的植物祖先。(4)本项目还摸索建立了甘蔗的组织培养体系，并申请国家专利一项《一种由甘蔗发状根诱导成苗的组织培养快繁方法》，申请号202010022071.7。