高产夏玉米叶源光合性能衰退的生理与蛋白质组学机制

With the development of industrialization, urbanization and people's living standards, China has entered a stage of rapid growth of corn consumption, and will be faced with shortages of corn in long time. In the condition of arable land continuous decrease, improving grain yield per unit area is the only way to increase total corn yield. At present, the increased high photosynthesis duration of leaf in contemporary summer corn was considered the key factor for high yield. Many researchers suggested the stability of leaf high photosynthesis in the grain-filling period was affected by water supplied, fertilizer applied, light, temperature and planting density. However, the conclusion was mainly focused on the field of crop physiology, the further researches related to leaf senescence of proteomics was limited, lacking of explanation to physiological conclusion at molecular level in the process of leaf senescence. Our project use a high yield summer corn hybrid, by applying the nitrogen fertilizer and exogenous hormones as regulations to study the key factors limiting the stability of photosynthetic performance during leaf senescence. Beside the physiology field, in this study, it is more important to ascertain the molecular mechanism of leaf senescence at proteomic level. And seeking the regulation approaches by applying nitrogen fertilizer and exogenous hormones. When finished, the project will provide theory and regulation measures of crop stay green and give support for formulating management measures of high yielding corn.

随着工业化、城镇化和人民生活水平的不断提高，我国已进入玉米消费快速增长阶段，将长期面临产不足需的问题。但在耕地面积刚性减少的情况下，玉米总产的提高必须依靠单产的持续增加。当代夏玉米品种取得较高单产的主要原因是叶片能够维持较长的光合高值持续期。前人就高产夏玉米品种产量形成期叶片光合性能强弱与水、肥、光、温、密等多种因素之间的关系进行大量报道，但研究结论多集中于作物栽培生理学方面，涉及叶片衰老的蛋白质组学研究尚未深入，缺乏分子生物学层面对相关生理学结论的解释。本项目选用具有高产潜力的夏玉米品种，以氮肥和外源激素为调控手段，系统研究高产夏玉米叶源衰老过程中限制光合性能的主要因素，明确与叶源光合性能相关功能蛋白的时空分布，探明不同光合系统间协调关系，以期更好的解释玉米促壮延衰的调控机理，为玉米优质高效栽培技术提供理论依据。

前人对光合过程中各功能位点的协同关系及性能调控研究较为薄弱，相关的蛋白质组学领域，尤其是涉及叶绿体光合电子传递和光合磷酸化等重要过程的研究鲜见报道。本项目以夏玉米为材料，采用氮素和外源激素为调控手段，结合生理生化和蛋白质组学方法，研究光合衰退过程中叶片生理功能变化特点以及氮素与外源激素调控的生物学机制。结果表明，光系统与羧化系统功能的强弱是控制衰老中前期与中后期光合性能高低的主要因素，保持二者间较强性能重合时间长短是控制光合高值期持续时间的主要因素，氮素能够显著延长该重合时间，而单一外源激素则无此效果，氮素与外源激素同时施用则进一步加强了各系统性能和二者的重合时间，是其效果显著高于其他处理的重要原因。蛋白质组学结果全面的解释了施氮基础上外源激素调控叶片光合性能衰退速率降低的原因，其结论为，单一氮素调控，只能提高光系统内少数几个位点功能蛋白组分的表达量，而外源激素的调控位点数量显著增加，基本涵盖了电子传递链与光合磷酸化上的大部分功能蛋白位点，尤其是增加了叶绿体内光系统蛋白组分的表达量和羧化系统RuBP再生阶段蛋白组分的表达量。此外，外源激素调控在叶片衰老中后期显著增加了ROS清除类的蛋白组分，蛋白组分数量和表达量均显著高于单一氮素处理，潜在的降低了细胞器膜的过氧化程度，有利于细胞器功能的稳定。与单一氮素处理相比，氮素结合外源激素处理，在增强光能利用的同时兼顾提高了光合非气体同化底物（RuBP）的补充，并且具有显著的细胞抗氧化效果，多种效应保证了玉米衰老过程中叶片光合性能显著增加、持续稳定的调控效果，其结论与生理学结果一致。利用本项目中的部分研究结果，在粒用和私用玉米减肥增效技术推广中取得良好的经济与生态效应，为建立环境友好与持续高产的玉米栽培技术提供理论依据与技术支撑。