氮素营养对转基因抗虫棉群体上层"铃-叶系统"的生理效应及差异蛋白组学分析

本项目以生产上大面积推广的转基因抗虫棉为材料，选择黄河流域棉区代表性棉田，开展以下研究：（1）上部果枝源库协调性的生理特征及其与早衰、贪青机理性关系研究；（2）上部果枝脱落棉铃及对位叶与未脱落棉铃及对位叶生理特征研究；（3）上部果枝"铃-叶系统"中器官发育过程的差异蛋白质组研究；（4）上部果枝微观结构、形态及铃的分布规律及与产量的关系研究。通过上述研究，预期明确黄河流域棉区抗虫棉花氮素胁迫条件下棉株早衰、贪青晚熟的源库微观结构、形态、生理生化特征及其机理；剖析上层果枝棉铃脱落与叶片生理状况及氮素营养的关系及其生理机制；明确氮素胁迫下棉田群体上层铃-叶系统中差异蛋白质种类及其功能，并阐释这些蛋白质与棉株生理生化过程与指标的内在关系。研究成果将从形态结构、生理机制和分子水平上阐释棉田氮素营养水平与早衰、健壮生长和贪青晚熟的内在联系，为制定高产高效氮肥管理策略提供理论依据。

本研究以生产上大面积推广的转基因抗虫棉为试验材料，开展了大田试验及培养室水培试验，主要对以下内容进行了研究：棉花衰老进程中上部果枝源库协调性生理性状，上部果枝脱落棉铃及对位叶与未脱落棉铃及对位叶生理解剖性状，上部果枝叶片及根系器官发育过程中差异蛋白质组学的研究。研究内容依照项目任务，顺利完成。结果如下：.1.上部果枝“铃-叶系统”的生理生化效应、形态及干物质分配特征。测定内容为生长进程中植株形态及干物质参数，铃叶系统及果枝的内外围生理指标。结果表明，不施氮和低氮处理影响上部果枝外围叶片和果枝的生长，使源系统受到抑制，引起早衰。中氮处理（240kg·hm-2）可协调棉花上部果枝 “铃-叶”系统的生长。中氮处理促进上部果枝（“源”）的生长。并且显著影响棉铃及对位叶中的生理活性物质，进而影响棉花源库生理协调性。.2.上部果枝群体上层内、外围“铃-叶系统”解剖特征。结果表明：施氮量会影响上部果枝叶片的解剖结构。随着施氮量的增加，叶片厚度、栅栏组织与海绵组织厚度比、主叶脉中单个导管面积等均呈上升的趋势。氮素供应不足则会引起解剖结构的变劣，降低叶片光合作用，增加棉铃脱落，促进棉花衰老。.3.采用iTRAQ技术对棉花上部果枝叶衰老调控蛋白进行蛋白质组学研究。本研究利用iTRAQ技术，在棉花生长衰老转折期开始取10d、19d、30d叶龄的叶片进行蛋白质组学分析，共得到差异蛋白426种。对这些差异蛋白质进行GO聚类分析和Pathway分析。从信号通路分析发现，叶片衰老相关蛋白主要参与光合天线通路、光合碳固定通路和过氧化物酶体通路，综合其在通路中相关作用及前人研究认为，调控叶片衰老蛋白包含：LHC、Rubisco、MDH、GAPD、TK、PPK、AGT蛋白。.综上，本研究表明氮素缺乏对棉花上部果枝“铃-叶系统”影响显著，易引起植株早衰，表现为调控光合作用、碳固定和保护酶系统相关蛋白质表达量下调，进而引起上部果枝形态、生理特征和解剖结构的变化。氮素胁迫促进上层果枝“铃-叶系统”衰老相关蛋白质表达量异常，其缺乏导致铃柄中单个导管面积和单个维管束的导管个数下降，加速棉铃的脱落。研究结果从形态、生理和蛋白质水平上阐释棉田氮素营养水平与早衰、健壮生长和贪青晚熟的联系，为制定我国氮素高效管理和防控早衰提供了理论依据。.本研究共培养博士研究生2名，硕士研究生4名，发表论文12篇，其中SCI论文 2篇