论文部分内容阅读
氮是植物正常生长发育所需的最重要的大量元素之一。氮的多少能够影响多种光合作用相关酶的产生和活性，从而影响光合能力。植物缺氮时，体内的许多生理生化功能都会受到影响，但是，过多施用氮肥也会对植物正常生长造成不利影响。所以，农业上合理施氮和提高氮的利用效率直接影响着粮食产量。植物所需的氮素主要是由根系吸收的，根系的形态和结构影响着氮素的吸收。硝态氮是土壤中的主要氮素形态，植物吸收的硝态氮首先要经过硝酸还原酶的同化，硝酸还原酶的活性影响着NO3-的利用状况。氨基酸是蛋白质的基本结构单元，氮素的多少也影响着氨基酸的含量，进而影响到许多参与代谢的重要蛋白质的合成。植物基因组DNA序列经常会出现胞嘧啶碱基加一个甲基的化学修饰，即DNA胞嘧啶甲基化。研究表明DNA甲基化和多种胁迫应答有关。MicroRNA（miRNA）是由约22个核苷酸组成的单链小RNA，广泛存在于真核生物细胞中，参与了细胞增殖、凋亡、分化、发育和逆境应答等多种生物学过程。本研究对缺氮和复氮条件下，玉米幼苗根系的形态、硝酸还原酶活力及氨基酸含量的变化作了研究，并对处理下根系的DNA甲基化和miRNA做了研究，试图从表观遗传学角度揭示其变化机理，为进一步了解氮素利用机理和提高其利用效率提供理论依据。研究获得了以下主要结果：1.缺氮处理后的根系总长度、根表面积、分根数要比正常处理的数值较大。缺氮处理的侧根总体上多于正常处理，主根较短时，一级侧根长度较长，且靠近主根及根尖部分的侧根最长，达20-30cm；主根较长时，一级侧根越靠近根尖越短，越靠上的侧根能相对长些，达5-10cm。2.缺氮处理后根系活力显著下降，降幅达50.91%；复氮处理后根系活力有所恢复，但与正常供氮相比还是显著下降，降幅达42.15%。3.正常供氮情况下，根系通气组织比重相对较小，内部各组织细胞数量较多，内皮层有2-3层发育；而缺氮处理后，通气组织发育较早，内皮层层数有减少趋势，第2-3层细胞发育不完全；复氮后内皮层层数恰好处于正常供氮和缺氮处理之间。4.缺氮处理后玉米幼苗根系的硝态氮含量与正常供氮相比发生了显著的降低，降低约76.21%；复氮处理后硝态氮含量有所上升，但仍然要比正常供氮处理低40.97%。5.缺氮处理后玉米根系硝酸还原酶活性相比正常供氮有所上升，增幅为4.26%；复氮处理后，硝酸还原酶活性比正常供氮低4.43%，比缺氮处理低8.33%。6.缺氮处理后玉米幼苗根系的天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸和丙氨酸等7种氨基酸含量发生了明显的下降；复氮处理后，这7种氨基酸含量还是低于正常供氮处理，而胱氨酸、蛋氨酸、酪氨酸和组氨酸的含量高于正常处理水平，且除蛋氨酸外，另外3氨基酸的含量比缺氮处理要低。7.正常供氮下玉米根系基因组甲基化率为19.92%，但经过缺氮或者复氮处理后的玉米根系基因组甲基化率均有小幅上升，分别上升22.46%和21.69%。8.三种氮处理下20-24nt的小RNA比例都较高，正常处理24nt和21nt的小RNA所占比例分别是38.92%、19.60%，缺氮处理所占比例分别是57.29%、14.44%，而复氮处理二者的比例分别是48.50%、16.87%。三种氮处理的rRNA比例都非常低，分别是6.05%、2.32%和3.44%；非编码小RNA（包括核仁小RNA）的比例分别占到所有数据的0.19%、0.12%和0.19%；miRNA所占的比例分别是0.58%、0.40%和0.51%；未注释部分的比例分别是63.11%、66.38%和64.70%。9.正常供氮和缺氮处理下，20-23ntmiRNA的第一位碱基比较偏好A和U，复氮处理下21nt、22ntmiRNA第一位碱基也较为偏好好A和U，但是20nt、23ntmiRNA则比较偏好A和G；三种处理下24ntmiRNA第一位碱基都比较偏好C。三种处理共预测到937个新的miRNA。其中，三个处理都预测到的有133个；仅缺氮和复氮预测到的有48个，仅正常供氮和复氮预测到的有75个，仅正常供氮和缺氮预测到的有59个；仅正常供氮预测到有244个，仅缺氮处理预测到的有186个，仅复氮预测到的有192个。10.对937个新的miRNA利用MiPred进行了假阳性筛除，在结合其表达量（count）并调整处理之间的p-value后，共获得11个可能和氮利用相关的miRNA。Northern blot结果表明，miR1002、miR0944和miR0249存在杂交印迹，表明这3个miRNA极可能和玉米的氮素利用有关。