CN113558060A - 一种植物抗旱增产剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业生物学领域，涉及一种新型植物抗旱增产剂，所述的抗旱增产剂为胍丁胺，发明人利用模拟植物干旱环境，使其处于干旱胁迫状态，然后在植株上喷施胍丁胺，使植物的持绿期延长，通过维持其干旱胁迫下的正常光合作用，从而达到提高植物产量的目的。结果表明，胍丁胺能通过提高干旱胁迫下小麦的抗旱性抑制小麦衰老，增加了植株鲜重，进而提高了小麦的生物学产量，可作为新的植物抗旱增产剂广泛应用于粮食作物、经济作物、园林作物等植物的抗旱增产。

Description

一种植物抗旱增产剂
技术领域
本发明属于农业生物学领域，涉及一种新型植物抗旱增产剂。
背景技术
由于全球气候变化异常，水资源严重短缺，植物受干旱胁迫影响越来越重。受干旱胁迫影响，植物叶片往往出现萎蔫，导致光合作用效率下降，进而影响植物的产量。如何延缓植物干旱胁迫下的叶片萎蔫，延长叶片持绿期，以便更好的维持叶片的正常光合作用，从而减少干旱胁迫造成的损失，进而提高植物的产量，迫切需要寻找新的植物抗旱增产方法。
目前，生产上常用的抗旱剂为24-表芸苔素内脂S-诱抗素，但其作用效果并不明显。因此，能否找到一种能够提高干旱胁迫下小麦的抗旱性而且增产的抗旱剂，成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述情况，本发明的发明人提供了一种新型植物抗旱增产剂，所述的抗旱增产剂为胍丁胺，发明人利用模拟植物干旱环境，使其处于干旱胁迫状态，然后在植株上喷施胍丁胺，使植物的持绿期延长，从而达到提高植物产量的目的。结果表明，胍丁胺能通过上调ABA信号途径中关键基因的表达，进而通过提高干旱胁迫下小麦的抗旱性抑制小麦衰老，增加了植株鲜重，最终提高了小麦的生物学产量以及籽粒产量，而且其抗旱效果明显好于当前市场上常见的抗旱剂，因此可作为新的植物抗旱增产剂广泛应用于粮食作物、经济作物、园林作物等植物的抗旱增产。现有技术中，生物体内的胍丁胺 (agmatine，AGM)是由细胞内线粒体膜上的精氨酸脱羧酶 (argininedecarboxylase，ADC)催化精氨酸脱羧基转化而成的，其分子式为 C5H14N4，分子量为130.19，分子结构式如下所示：
Figure RE-GDA0003252299370000011
在生物体内，胍丁胺在胍基亚氨基水解酶和氨基甲酸甘油脂氨基酰胺水解酶的作用下形成腐胺，然后，通过添加氨丙基的亚精胺合成酶(Spermidine synthase，spd)和精胺合成酶(Spermine synthase，spm)将其转化为亚精胺和精胺，进而发挥一系列的生物学功能。在动物中，胍丁胺是一氧化氮合成的内源性调节物之一，它可以通过底物竞争性的方式抑制一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，减少病理状态下一氧化氮的生成，从而实现对血管的舒缩和抗炎作用。目前作为临床药物的胍丁胺主要用于调节人体血管舒缩、抗炎等作用，然而在农业领域还没有相关应用出现；
本发明研究发现，在植物上喷施胍丁胺，可以上调脱落酸(abscisic acid，ABA)信号途径中的ABA受体基因PYL2和控制气孔开关的SNF1相关蛋白激酶基因SnRK2(sucrosenon-fermenting related protein kinase 2)等两个关键基因的表达，由此证明，胍丁胺通过ABA信号途径来提高小麦的抗旱性。与此同时发明人还发现，在大田小麦拔节期喷施胍丁胺，可显著增加亩穗数，进而提高小麦的产量。本发明的发明人经过筛选和实验验证，首次提出了胍丁胺可在植物抗旱增产领域开发与应用。
本发明的具体技术方案是：
发现了胍丁胺在植物抗旱增产领域的新用途，进而提供了一种新型植物抗旱增产剂，所述的抗旱增产剂为胍丁胺，为了验证上述新用途，发明人具体采用了如下实验方案：
(1)选取当年收获的籽粒饱满、大小一致的抗旱小麦“济麦379”种子，置于15cm*15cm*5cm的方形盒中，于温度22℃、日照16小时、黑暗8小时的恒温光照培养箱中萌发生长7天；
(2)挑取10棵生长状态及大小一致的小麦幼苗，置于200cm3的透明塑料盒中进行液体培养；
(3)小麦幼苗的干旱胁迫：利用20％g/mL PEG8000溶液，对小麦幼苗进行干旱胁迫；
(4)小麦幼苗喷施实验：设置0μM(水)、10μM、30μM、50μM、70μM、 100μM和500μM的胍丁胺水溶液浓度梯度；每组实验设3次重复，对每个塑料盒中的小麦植株，用喷壶对其茎叶部分进行均匀喷施相应浓度胍丁胺溶液5mL；
分别于每天上午9:00和下午16:00各喷施一次，在小麦幼苗生长过程中，观察干旱胁迫下的叶片表型变化，待其生长至96h时，测量根部以上植株鲜重；
(5)与市场上常见的抗旱剂24-表芸苔素内脂S-诱抗素(海米优，农药登记证书PD20200242，四川海润作物科学技术有限公司)进行比较实验：设置水、 6g/L24-表芸苔素内脂S-诱抗素(按照产品说明进行)、步骤(4)中70μM胍丁胺共3组实验，每组实验重复3次，分别喷施上述3种溶液；
分别于每天上午9:00和下午16:00各喷施一次，每次喷施溶液5mL，在小麦幼苗生长过程中，于72h后观察干旱胁迫下的叶片表型变化；
(6)抗旱相关基因的表达分析：用步骤(4)中70μM胍丁胺水溶液进行6h (处于光照状态)、12h(处于黑暗状态)和24h(处于光照状态)不同时间的处理，每个处理3次重复；在每个时间点，取来自不同植株的两片叶用于RNA提取、cDNA合成以及qR-PCR检测；
有关实验流程详见文章“李永波，崔德周，黄琛，隋新霞，樊庆琦，楚秀生.细胞自噬参与脱落酸介导的小麦耐盐作用.农业生物技术学报，2021，29(01)：1-11.”
(7)大田小麦喷施实验：在大田中种植12行(行长2米)小麦材料济麦22，待其生长至拔节期时，喷施0μM(水)、100μM、200μM和500μM的胍丁胺水溶液。每个浓度喷施3行；待小麦生长至成熟时，每行各取1米材料用于统计亩穗数、穗粒数、千粒重及籽粒产量；通过图5可知，拔节期胍丁胺的最佳浓度为200μM。
结果如下：
由附图3可以看出，喷施常用抗旱剂24-表芸苔素内脂S-诱抗素的抗衰老效果明显不如胍丁胺，证明胍丁胺的抗旱效果明显好于常用抗旱剂；且优选胍丁胺水溶液的最低使用浓度为70μM。
综合上述结果可知，本发明使用的胍丁胺可通过上调PYL2、SnRK2基因的表达，进而激活植物特有的ABA信号途径来发挥其抗旱机能，首次提出了胍丁胺在植物中的新用途，在植株上喷施胍丁胺，使植物的持绿期延长，通过维持其干旱胁迫下的正常光合作用，从而达到提高植物产量的目的。胍丁胺能通过提高干旱胁迫下小麦的抗旱性抑制小麦衰老，增加了植株鲜重，进而提高了小麦的生物学产量以及籽粒产量，其抗旱效果明显优于当前市场上销售的抗旱剂，可以作为新的植物抗旱增产剂，此外，在小麦拔节期喷施胍丁胺，可显著增加亩穗数，进而提高小麦籽粒产量，同时确定了拔节期的最佳浓度为200μM；所以本发明的抗旱增产剂胍丁胺可广泛应用于粮食作物、经济作物、园林作物等植物的抗旱增产。
附图说明
图1为实施例中干旱胁迫48h、72h、96h后小麦幼苗在喷施胍丁胺实验中的生长情况图，
其中胍丁胺水溶液浓度为1、0μM(水)，2、10μM，3、30μM，4、50μM，5、 70μM，6、100μM，7、500μM；
通过图1可知，处理组幼苗表现明显早衰和根部生长迟缓现象；
喷施70μM胍丁胺水溶液时，小麦叶片的萎蔫程度随着时间的延长与对照相比出现大幅度降低，根部以上植株鲜重出现明显增加，而且差异非常显著。
图2为干旱胁迫96h后小麦幼苗叶片鲜重在喷施胍丁胺实验中的统计结果柱状图；
由图可知，喷施70μM胍丁胺，根部以上植株鲜重就出现明显增加；
图3为喷施常用抗旱剂与胍丁胺的对比效果图；
图中1为水；2为24-表芸苔素内脂S-诱抗素(6g/L)；3为70μM胍丁胺；
由图可知，对照喷水的抗衰老效果最差，喷施24-表芸苔素内脂S-诱抗素的抗衰老效果明显不如胍丁胺，证明胍丁胺的抗旱效果明显好于常用抗旱剂；
图4为小麦植株喷施胍丁胺后，PYL2、SnRK2基因的表达量变化；
由图可知，喷施胍丁胺6h后，与对照相比PYL2、SnRK2基因开始出现显著高表达；
图5为小麦拔节期喷施胍丁胺后，亩穗数、穗粒数、千粒重和产量的变化柱状图；
由图可知，小麦拔节期喷施200uM胍丁胺，其亩穗数和产量都会显著增加，且200uM为最佳喷施浓度。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明下述的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种新型植物抗旱增产剂，所述的抗旱增产剂为胍丁胺，其具体应用方案如下：
(1)选取当年收获的籽粒饱满、大小一致的抗旱小麦“济麦379种子”，置于15cm*15cm*5cm的方形盒中，于温度22℃、日照16小时、黑暗8小时的恒温光照培养箱中萌发生长7天；
(2)挑取10棵生长状态及大小一致的小麦幼苗，置于200cm3的透明塑料盒中进行液体培养；
(3)小麦幼苗的干旱胁迫：利用20％g/mL PEG8000溶液，对小麦幼苗进行干旱胁迫；
具体操作步骤可参考发明人已发表的论文：Yong-Bo Li，De-Zhou Cui，Xin-XiaSui，Chen Huang，Cheng-Yan Huang，Qing-Qi Fan，and Xiu-Sheng Chu.AutophagicSurvival Precedes Programmed Cell Death in Wheat Seedlings Exposed to DroughtStress，Int J Mol Sci.，2019，20(22)：5777；文章链接网址为：https：// pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31744172/；
(4)小麦幼苗喷施实验：设置0μM(水)、10μM、30μM、50μM、70μM、 100μM和500μM的胍丁胺水溶液浓度梯度；每组实验设3次重复，对每个塑料盒中的小麦植株，用100cm3的喷壶对其茎叶部分进行均匀喷施相应浓度胍丁胺溶液5mL；
分别于每天上午9:00和下午16:00各喷施一次，在小麦幼苗生长过程中，观察干旱胁迫下的叶片表型变化，待其生长至96h时，测量根部以上植株鲜重；
(5)与市场上常见的抗旱剂24-表芸苔素内脂S-诱抗素(海米优，农药登记证书PD20200242，四川海润作物科学技术有限公司)进行比较实验：设置水、 6g/L24-表芸苔素内脂S-诱抗素(按照产品说明进行)、步骤(4)中70μM胍丁胺共3组实验，每组实验重复3次，分别喷施上述3种溶液；
分别于每天上午9:00和下午16:00各喷施一次，每次喷施溶液5mL，在小麦幼苗生长过程中，于72h后观察干旱胁迫下的叶片表型变化；
(6)抗旱相关基因的表达分析：用步骤(4)中70μM胍丁胺水溶液进行6h (处于光照状态)、12h(处于黑暗状态)和24h(处于光照状态)不同时间的处理，每个处理3次重复；在每个时间点，取来自不同植株的两片叶用于RNA提取、cDNA合成以及qR-PCR检测；
有关实验流程详见文章“李永波，崔德周，黄琛，隋新霞，樊庆琦，楚秀生.细胞自噬参与脱落酸介导的小麦耐盐作用.农业生物技术学报，2021，29(01)：1-11.”
(7)大田小麦喷施实验：在大田中种植12行(2米一行)小麦材料济麦22，待其生长至拔节期时，喷施0μM(水)、100μM、200μM和500μM的胍丁胺水溶液。每个浓度喷施3行；待小麦生长至成熟时，每行取1米材料用于统计亩穗数、穗粒数、千粒重及籽粒产量。
结果如下：
胍丁胺能通过提高干旱胁迫下小麦的抗旱性抑制小麦衰老，增加了植株鲜重(图1、2)，其抗旱效果明显优于市场上常见的抗旱剂(图3)。另外，胍丁胺可通过上调PYL2、SnRK2基因的表达，进而激活植物特有的ABA信号途径来发挥其抗旱机能(图4)。在大田小麦喷施中，胍丁胺可通过增加亩穗数来提高小麦籽粒产量(图5)，且小麦拔节期胍丁胺的最佳喷施浓度为200μM。

Claims (4)

1.胍丁胺在植物抗旱增产领域的用途，该用途为作为植物抗旱增产剂。
2.一种植物抗旱增产剂，其特征在于：所述的抗旱增产剂为胍丁胺。
3.根据权利要求2所述植物抗旱增产剂，其特征在于：当植株为小麦时，采用喷施的方式，所述胍丁胺作用于植株，且苗期喷施胍丁胺水溶液的最低浓度为70μM。
4.根据权利要求3所述植物抗旱增产剂，其特征在于：当植株为小麦时，拔节期喷施胍丁胺水溶液的最佳浓度为200μM。
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