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Ind. Crops. Prod.|棉纤维增稠阶段同时发生的高温和干旱胁迫抑制了纤维生物量积累和纤维素合成

2023/7/28 9:53:42  阅读:78 发布者:

论文内容

研究背景:

人们早就知道高温或干旱会影响作物的产量和品质,人们对棉花对高温或干旱的反应进行了广泛的研究。根据以往的研究,当日平均温度高于32℃时,纤维强度和最终纤维生物量将受到显著影响。高温会增加SPS活性,下调SuSy和酸碱性INV活性,抑制纤维素在纤维中的积累。以前的研究也报道了成铃期土壤干旱可以通过增加胼胝质含量和改变纤维素积累特性来显著降低纤维强度。缺水对SuSy活性的影响是可变的。Zheng等报道干旱明显增加了棉纤维中SuSy的活性。相反,Liu等报道干旱显著抑制纤维中SuSy和β- 1,3 -葡聚糖酶的活性。此外,Zhao等人得出结论,干旱胁迫纤维的INV活性明显低于对照。我们实验室最近发表的一篇论文报告称,温度升高和干旱对最终棉产量和纤维质量(包括强度)具有耦合效应,而据我们所知,详细的生理机制尚未探索。

因此,我们假设:(1)与单个胁迫相比,高温和干旱联合胁迫对棉纤维纤维素积累和纤维生物量的影响更为显著;(2)纤维素积累对复合胁迫的响应可能与蔗糖和胼胝质的代谢变化有关。、因此,本研究的目的是:(1)探讨高温和干旱对纤维生物量动态特性的影响;(2)研究纤维素合成、蔗糖代谢和胼胝质代谢对纤维增厚过程中高温和干旱同时发生的详细响应。

研究内容:

为研究全球气候变化背景下高温干旱对棉纤维发育的影响。Sumian 15cvPHY370WR)植物在2016 - 2018年的环境温度(AT)或高温(ET,比AT2.5-2.7)条件下生长。同时,在不同温度条件下,土壤相对含水量(SRWC)分别为(75±5)%(土壤最佳湿度)(60±5)%(中度干旱)(45±5)%(严重干旱)。结果表明,与任何单一胁迫相比,高温和干旱对纤维生物量理论最大值的负面影响更大,进一步缩短了纤维生物量快速增长的持续时间和平均增长速度。高温和干旱通过改变不同的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性和GhSPS同工型(GhSPS-1GhSPS-2GhSPS-3)表达,对纤维中蔗糖合成产生相反的影响,当这两种胁迫偶联时,对SPS活性产生拮抗作用。然而,在所有单一和耦合胁迫下,观察到较低的蔗糖含量,这意味着较少的碳可用于纤维素合成。高温或干旱也通过降低参与蔗糖降解的蔗糖合成酶(SuSy)、可溶性酸性转化酶(VIN)和碱性转化酶(CIN)的活性来限制纤维素的合成。SuSy活性降低可能是GhSuSyAGhSuSyBGhSuSyC表达下调的结果,VIN活性降低可能是高温或干旱单独作用下GhInv-1GhInv-2表达下调的结果。两种胁迫组合对SuSy活性的负面影响更大,通过进一步下调GhSuSyAGhSuSyB的异构体表达,对VIN活性的负面影响更大,通过进一步降低GhInv-1GhInv-2的表达,对CIN活性的负面影响更大,这将进一步抑制蔗糖降解形成用于纤维素合成的UDPG。此外,高温或干旱单独胁迫通过高上调GhCalS-5表达和下调β-1,3-葡聚糖酶表达促进了胼胝质积累,联合胁迫进一步增加了胼胝质积累,说明蔗糖分解产生的UDPG更多地分配给了胼胝质合成,而不是纤维素合成。以上结果表明,高温与干旱对棉纤维增粗过程中生物量积累和纤维素合成具有协同负作用。

研究结论:

高温和干旱均通过降低纤维生物量的TVT对纤维生物量积累产生负面影响。高温和干旱同时发生会进一步降低纤维生物量的TVT,导致复合胁迫下的Ym低于任何单一胁迫下的Ym。胁迫下纤维生物量积累减少与纤维素含量降低密切相关。高温和干旱均通过降低纤维生物量的TVT对纤维生物量积累产生负面影响。高温和干旱均通过降低纤维生物量的TVT对纤维生物量积累产生负面影响。高温和干旱同时发生会进一步降低纤维生物量的TVT,导致复合胁迫下的Ym低于任何单一胁迫下的Ym。胁迫下纤维生物量积累减少与纤维素含量降低密切相关。仅高温或干旱就可以通过下调参与蔗糖降解的基因表达和酶的活性来减少纤维纤维素的合成,限制纤维素合成的直接底物UDPG的产生,通过将更多的UDPG从蔗糖降解分配到胼胝质合成而不是纤维素合成。当温度升高和干旱耦合时,它们对蔗糖的降解和碳从蔗糖向纤维素的分配产生协同负作用,最终导致纤维素含量低于任何单独胁迫。此外,高温和干旱通过改变不同的SPS活性和GhSPS异构体,对纤维中的蔗糖合成产生相反的影响,当两者耦合时,两种胁迫对蔗糖合成的影响是相互抵消的。最后,图10总结了高温干旱联合胁迫下纤维纤维素含量和纤维生物量的详细代谢方案及变化。

转自:“农科学术圈”微信公众号

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