摘要
赖氨酸是人体与动植物必需氨基酸，对于作物生产与品质具有重要意义。以往的研究发现赖氨酸对于玉米胚的发育具有积极意义，而且本课题组前期的研究结果表明外源赖氨酸可以改变拟南芥的根系形态，但尚缺乏对玉米根系生长和养分吸收等方面的深入研究。因此，本研究在系统分析玉米内碱性氨基酸转运体家族基因与功能的基础上，进一步研究赖氨酸对玉米发芽以及苗期根系生长发育的影响，结合转录组与代谢组联合分析，解析赖氨酸对玉米苗期的影响生理分子机理。 1.本研究针对玉米碱性氨基酸转运蛋白家族进行了系统地生物信息学分析，共鉴定了12个ZmCAT（cationicaminoacidtransporters）家族成员，该蛋白家族含有14个结构域。表达模式分析发现不同的CAT蛋白在玉米的不同时期与不同部位存在特定的表达模式。在三叶一心期，转运体中CAT4仅在未完全展开叶表达且表达量较少，各部位中，冠根中的CAT3、CAT5、CAT6与CAT12,茎中的CAT6与CAT10,未完全站开叶的CAT7以及完全展开叶的CAT3与CAT5呈现较好的表达情况，而初生根中各转运体表达情况较为平均并且表达量较高，次生根则均表达较低。一叶一心期的未完全展开叶与初生根各转运体表达情况不仅均一而且表达量均较高，而次生根的表达情况较差，完全展开叶只有CAT10的表达情况较好。而ZmCAT1在各时期与各部位中均具有较高的表达水平。因此，将ZmCAT1与其可能转运目标赖氨酸结合，分析赖氨酸对玉米发芽以及生长发育的影响。 2.本研究发现赖氨酸作为种子引发剂对玉米的发芽与生长具有积极的影响。通过设置12小时与24小时两个引发时间以及去离子水、25μM、250μM、2000μM赖氨酸溶液引发处理，研究发现赖氨酸引发对玉米发芽及生长具有低促高抑的作用。合适的引发时间与引发浓度不仅可以加快玉米的发芽速率，还可以加快玉米苗期的生长速度。250μM赖氨酸引发12小时后玉米种子活力（1.46μgmin-1g-1）以及发芽速率达到最优，其次为2000μM引发12小时（0.90μgmin-1g-1），24小时赖氨酸引发对玉米种子发芽的影响并不显著。发芽后，赖氨酸引发12小时中25μM的根长最长（34.12cm）,而250μM的株高最高（13.12cm）,赖氨酸引发24小时后25μM的株高（32.63cm）与根长（13.37cm）均为最佳。赖氨酸引发对苗期玉米根内ZmCAT1的表达具有低促高抑的作用，引发12小时后25μM的赖氨酸引发使ZmCAT1的表达量达到最高。推测25-250μM为赖氨酸引发壮苗的最佳浓度范围，12小时为最佳引发时间，不仅促进玉米种子的发芽以及苗期的生长，并且可以帮助玉米最大效率吸收土壤内的赖氨酸以及快速运输玉米内源赖氨酸。 3.本研究发现玉米苗期供应赖氨酸调控玉米苗期的根系形态与次生代谢。通过设置空白对照CK以及5μM、25μM、50μM、250μM、500μM、2000μM赖氨酸浓度梯度，分别研究赖氨酸作为引发壮苗剂以及提供全营养液条件下作为外源营养对玉米苗期生长的作用。赖氨酸不管是作为引发壮苗剂还是作为外源营养与信号物质，均对玉米苗期的生长具有低促高抑的作用，玉米的干物质量以及根系形态均在50μM赖氨酸浓度下具有显著的提升，而玉米的氮浓度与赖氨酸浓度呈现正相关趋势。赖氨酸作为唯一营养来源时，500μM的赖氨酸对地上部的生物量(0.084g)与氮浓度(222.63gkg-1)的促进作用最强，而250-500μM时根部生物量最多，250μM时根部的氮浓度最高(118.98gkg-1)。当赖氨酸外源施加时，25μM时地上部生物量最高(0.075g)，250μM时次生根生物量最高(0.38g)，而2000μM显著提升根部氮浓度(205.13gkg-1)。5μM赖氨酸对根长的促进作用最显著，而赖氨酸作为唯一营养来源时50μM对根密度的增加作用最大(5.55rootcm-1)。赖氨酸施用对玉米苗期的生长具有整体的调控作用，不同情况下赖氨酸对玉米生长的不同影响可能是由于赖氨酸功能的转变。提供营养以及外源赖氨酸均可显著上调ZmCAT1的表达。赖氨酸施用上调玉米内的水杨酸代谢，这与今年来植物内赖氨酸代谢的相关研究相符合，这对于玉米苗期的获得性免疫水平具有积极意义，同时赖氨酸影响了氨基酸合成通路以及碳代谢，这与赖氨酸的功能相关。 综上所述，赖氨酸不论是作为引发剂还是外源营养，对玉米的发芽与生长均具有正向的影响。赖氨酸引发剂不仅可以促进发芽，也可以加快生长速度，而外源施加的氨基酸可以调控玉米的根系形态与提高免疫能力，玉米根系密度的增大更有利于玉米对土壤营养的吸收。与此同时，赖氨酸引发与外源施用均可上调ZmCAT1的表达，这有助于玉米对氨基酸营养的吸收与运输。
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