大豆叶片光合适应性的生理生化与基因表达谱分析

利用间套作模式发展生态农业可提高资源利用效率。然而，间套作模式也存在种间竞争，尤其是处于下层的作物在光照资源利用上处于弱势地位，生长在光强剧烈变化的环境中，光合作用低效不稳，限制了作物取得高产。本研究以我国南方地区广泛分布的一种玉米-大豆套作模式为例，研究大豆叶片响应剧烈变光过程的光合适应机制，以期为间套作模式光能利用效率的提高提供理论依据。本研究将从玉米-大豆套作田间共生期实际变光环境出发，对大豆苗期叶片的单叶性状、生化组成、光合生理能力进行分析，阐明生理生化机制；再利用室内人工模拟变光环境，采用DNA微阵列分析技术，对大豆叶片的基因表达谱进行解析，筛选响应过程中发生差异表达的基因，构建基因调控网络；最后对选取的差异表达基因进行克隆测序和表达验证，获得关键基因，为下一步创制套作模式专用大豆品种、制定栽培技术提供理论基础。

在玉米-大豆套作种植模式中，大豆因植株较矮处于荫蔽环境，形态和生理性状均受到影响，严重限制了光能利用，生产中迫切需要选育具备更强耐荫能力，具备更高光能利用效率的大豆品种。本课题比较了不同耐荫性大豆品种在套作模式下的光合特性，结果表明套作荫蔽下大豆接受的单日总PAR透光率低于40.0%，除在晴天正午时段外，其余时段均低于500 μmol m-2 s-1，R:FR较正常光照显著下降。不同耐荫性品种在套作下的光响应曲线拟合参数、实际光合作用日变化、地上部干物质积累均无显著差异，均随光强的日变化产生同步变化，因此大豆叶片在套作下表现为光限制型光合作用，提高光能捕获有助于提高大豆的光能利用。比较套作荫蔽和对照处理下大豆叶片的转录组情况，分别从成熟和幼嫩叶片中筛选出1085个和1847个差异表达基因。生物信息学分析后发现，差异表达基因在GO术语主要富集在成熟叶片中的多糖代谢途径和响应生长素刺激，以及幼嫩叶片中的光合作用，细胞循环和DNA复制。根据大豆叶片面积减小、光合能力下降、含糖量降低等表型性状，结合有关荫蔽影响植物激素、细胞分裂与扩展、叶片扩张与生长的研究报道推测：大豆叶片在套作荫蔽下合成了大量的生长素，超过最适浓度反而形成抑制作用，光合产物降低也减少了细胞壁合成所需的多糖，最终使得成熟叶片面积减小，厚度下降。因此，套作荫蔽可能通过植物激素和糖分信号调控叶片生长和扩张。对137个大豆品种（系）在荫蔽和对照处理下的干物质积累特征和形态性状进行调查发现：荫蔽下大豆地上部干物质下降，但茎的干物质分配比例增加；株高增加，茎粗降低。进一步对20个大豆品种（系）进行表型可塑性研究发现株高、净光合速率、地上部干物质、叶柄干物质分配比例和单株叶面积的可塑性最大，叶片干物质分配比例，全碳含量，叶绿素a/b、叶面积比和小叶数量的可塑性最小。对可塑性指数进行主成分分析后发现，主成分1在单株叶面积，地上部干物质、小叶数量和茎粗上具有较大的载荷系数，反应了大豆生长及形态结构性状的可塑性。主成分2在净光合速率和叶片干物质分配比例上具有较大的载荷系数，主要反应了大豆叶片光能利用的可塑性。综合表型可塑性来看，大豆在荫蔽下侧重改变自身的植株形态结构性状，其次是改变叶片的光合生理性状。因此选择耐荫品种更应侧重与光能捕获相关的形态结构性状。