外源ABA调控干旱胁迫下鼓粒期大豆氮素积累和转移的机制研究

Through great quantity of research at home and abroad, it is confirmed that ABA plays an important role in regulation of crop resistance to water deficit, seed development, and leaf Leaf senescence. This project is conducted on the basis of many years’ study on nitrogen nutrition in soybean and theoretical study on PGRS with soybean varieties of different quality types, in order to clear the physiological mechanism of nitrogen accumulation and remobilization during seed filling regulated by ABA in drought condition though physiological indexes related to nitrogen assimilation and nitrogen remobilization and data result from isotope labeling. Then further study conducted on corresponding regulation approaches with metabolomics’ techniques, and screen key different metabolites. Determine the key different metabolites by MS, and excavate regulation approaches unknown related to nitrogen accumulation and nitrogen remobilization with key different metabolites. This project would explicit the regulatory mechanism of soybean nitrogen accumulation and remobilization by ABA in drought condition, provide theoretical foundation for ABA apply in soybean production, and theoretical foundation for further functional identification of key ralated genes and proteins and genetic improvement.

大量国内外研究证实，ABA在作物应对干旱胁迫、籽粒发育和叶片衰老过程中起重要调控作用。为了明确干旱胁迫下大豆鼓粒期间外源ABA对大豆氮素积累与转移的调控机制，本项目拟在多年大豆氮素营养和植物激素调控理论研究的基础上，以不同品质类型的大豆品种为材料，通过对氮素同化和转移相关生理指标的测定和同位素标记数据的计算解析，明确干旱胁迫下鼓粒期间外源ABA调控鼓大豆氮素积累和转移的生理机制；然后采用代谢组学相关技术进一步探讨相应的调控途径，筛选出重要差异代谢物；对未知重要差异代谢物进行质谱鉴定，并发掘与氮素同化、转移重要相关未知调控途径。项目完成后，将明确干旱胁迫下外源ABA调控鼓粒期大豆氮素积累和转移的机理，为外源ABA用于实际生产提供理论依据和指导，并为进一步进行重要相关基因和蛋白的功能鉴定，利用基因工程进行遗传改良提供理论基础。

本课题组完成了国家自然基金青年项目《外源ABA调控干旱胁迫下鼓粒期大豆氮素积累和转移的机制研究》规定的研究内容，并增加了不同籽粒发育阶段过程中的非靶向代谢组学和鼓粒初期氨基酸靶向代谢组学的研究。结果表明：.抗旱生理相关指标测定表明，外源ABA可缓解干旱胁迫对鼓粒期间大豆生理过程的不利影响，提高叶片相对含水量和伤流液量、渗透调节关键物质含量、抗氧化酶活性和抗氧化剂含量，缓解干旱胁迫对细胞膜的破坏，进而提高气体交换相关参数和净光合速率等光合作用相关指标，最终显著提高干旱胁迫下大豆百粒重和单株粒重。.氮代谢相关生理指标和同位素测定表明，外源ABA可缓解干旱胁迫对氮素同化和转移的不利影响，促进NR、GS、GOGAT、GDH、GOT、GTP酶活性提高，同时可调控干旱胁迫下大豆植株酰脲含量、氨态氮和硝态氮含量的趋于正常水平，进而提高干旱胁迫下大豆植株各器官及全株氮素积累量、阶段积累量和肥料氮积累量，并促进生育后期氮素由营养器官向籽粒的转移。.代谢组学分析表明，胁迫组（WS）和处理组（WS+ABA）可以通过PCA明显区分开， PLS-DA分析结合T检验获得籽粒不同发育阶段干旱胁迫下叶面喷施ABA诱导大豆叶片差异代谢物，进一步分析明确了诱导的代谢物主要属于氨基酸、糖类、有机酸、少量脂类和次生代谢物，差异代谢途径主要包括氨基酸代谢和糖代谢；通过非靶向代谢组学技术研究了鼓粒初期干旱胁迫下外源ABA诱导籽粒差异代谢物和代谢途径，鉴定结果表明差异代谢物主要属于有机酸、氨基酸、脂类，主要涉及氨基酸代谢和糖代谢，上述差异代谢物的升高或降低有助于大豆叶片维持较为正常的碳氮代谢水平，并提高抗旱能力；进一步开展的鼓粒初期大豆叶片氨基酸靶向代谢组学分析表明，外源ABA可显著诱导12种氨基酸上调或下调，有利于干旱胁迫下大豆氮代谢维持较为正常的水平。.综合非靶向代谢组学、氨基酸靶向代谢组学数据发现，Aminoacyl-tRNA biosynthesis代谢途径是干旱胁迫下外源ABA调控不同籽粒发育阶段大豆抗旱、光合作用和氮素积累转移的最重要途径。