大豆茎秆耐阴抗倒机理研究

利用生物多样性原理进行间套作栽培是提高土地利用率、增加粮食播种面积和产量的关键。目前在生产上大面积推广的大豆间套作种植过程，玉米等高秆作物遮荫致导大豆茎秆柔弱，倒伏加剧，严重影响产量、品质和机械化收获。本课题根据不同基因型大豆耐阴与抗倒间的紧密联系，从茎秆着手，用亚细胞差异蛋白质组学和生物信息学的方法，研究苗期荫蔽胁迫对不同基因型大豆茎秆强度、解剖结构、细胞壁化学物质含量等茎秆抗倒相关性状的影响，并与细胞壁中差异表达蛋白相结合，试图找到耐阴抗倒功能蛋白；用荧光定量的方法，对编码功能蛋白的基因在不同基因型和光环境间的差异表达进行分析，以探明大豆耐阴抗倒的生理机制和分子机理，为下一步克隆耐阴抗倒功能基因打下基础。

本项目针对目前在生产上大面积推广的大豆间套作种植过程，玉米等高秆作物遮荫致导大豆茎秆柔弱，倒伏加剧，严重影响产量、品质和机械化收获的问题，根据不同基因型大豆耐荫与抗倒间的紧密联系，从套作光环境与茎秆生长特性着手，明确了套作大豆所处的光环境参数，建立了通过苗期茎干特征评价大豆耐荫抗倒的方法，并从大量种质资源中筛选获得了具有不同耐荫抗倒特性的材料。从生理机制角度，明确了强耐荫大豆抗倒机理，即在荫蔽胁迫下，仍然保持较低水平的赤霉素和细胞分裂素含量，来抑制茎秆细胞的过度伸长和分裂，从而保持较低的茎秆长/粗比；通过维持茎秆木质素的正常含量，保持较高的茎秆强度；构建了大豆茎秆蛋白质提取和双向电泳分离方法，经质谱鉴定，构建了大豆茎秆蛋白参考图谱，并用差异蛋白质组学、生物信息学的方法，阐明了大豆耐荫抗倒机理，即通过降低G蛋白表达量，延缓荫蔽信号的传递，从而减少茎秆过度伸长；上调热激蛋白和延伸因子的表达量，保证基因的正常表达和维持各种酶的正常功能；增强乳酰谷胱甘肽裂解酶的表达量，从而减少糖酵解途径中废弃物-丙酮醛对细胞的伤害；稳定或下调果糖激酶和果糖-二磷酸醛缩酶的表达量，从而减少糖酵解对代谢产物的过多消耗，保证茎秆中物质的正常积累；增加液泡ATP酶含量，维持茎秆细胞体积的正常扩大；提高苹果酸一个同功酶的表达量，减小因另一同功酶的下降对代谢造成的不良影响，维持其体内代谢平衡；上调核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧合酶表达量，增强磷酸戊糖代谢，保持较高的S-腺苷甲硫胺酸合成酶和凝集素表达量，显著上调茎28/31糖蛋白表达量，促进茉莉酸的生物合成，这些均为茎秆中木质素等细胞壁物质的正常合成，增加茎秆强度，提供物质基础。通过本项目的研究，为下一步克隆耐荫抗倒功能基因打下了基础。