107杨镉胁迫相关基因表达调控机制研究

发布时间：2019-03-24 16:55

【摘要】：土壤重金属污染日趋加剧,严重威胁着人类的生存和发展,已成为全球关注问题之一。因此,污染土壤的修复治理已成为人类改善环境的重要举措。其中,植物修复成本低、不引起二次污染、不破坏生态环境,是一种极具潜力的绿色修复技术。本项研究利用Solexa测序技术,检测107杨分别在100 mg/kg、200 mg/kg镉胁迫40天和80天之后,基因表达的变化,并结合107杨在镉胁迫下的生理、生化变化结果,探讨镉毒害对107杨的基因表达、信号和代谢通路的影响,以期了解107杨应对镉胁迫的分子机制,为107杨作为植物修复树种修复土壤镉污染提供理论指导。主要结果如下:(1)从18个107杨的根、茎、叶样本中,共获得204,417个unigene,其中166,336个unigene具有匹配的同源蛋白。116,267条unigene被注释到14层22,231个GO条目上,88,006个unigene被注释到25种COG功能类别中,36,804个unigene共映射到277条Pathway。此外,204,417个unigene中有88,691个SSR位点,2,642种重复碱基单元类型。(2)响应镉胁迫,107杨差异基因显著富集GO条目有2,580个。不同部位,差异基因显著富集的程度不同,表现为根叶茎。随镉胁迫浓度增加,叶与茎差异基因GO富集程度增加;根差异基因GO富集程度减小,在80天时减少尤为显著。随镉胁迫时间增长,叶和茎GO富集程度减小;根在低浓度镉处理时富集程度增加,高浓度镉处理时富集程度减小。显著性富集的GO条目涉及到主要代谢途径的酶、生物分子的合成与分解代谢、对刺激的响应、结合过程、运输过程、转录过程、信号通路、调控调节、植物组织以及其他一些生理生化途径。(3)响应镉胁迫,107杨差异基因显著富集Pathway条目有448个。不同部位,差异基因显著富集的程度不同,同样表现为根叶茎。随镉胁迫浓度增加,叶与茎差异基因富集的Pathway条目数量更多、程度更显著,根在40天时差异基因Pathway富集数量增加、在80天时则明显减少。随镉胁迫时间的增长,叶和茎差异基因Pathway富集程度减小;根在低浓度镉处理时富集程度增加,高浓度镉处理时富集程度明显减小。显著性富集的Pathway包括糖类、脂类、蛋白质等生物大分子以及次生代谢产物的合成与代谢,受体、信号系统等,涉及光合作用、呼吸作用、元素吸收、能量代谢等多种生理生化过程。(4)107杨叶部在100 mg/kg镉胁迫下,表现出一定的适应性,光合器官及相关转录活动都有上调。在抗氧化过程中,谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶、谷胱甘肽的合成与结合起了重要作用。107杨在200 mg/kg的镉胁迫下,表现出明显的中毒现象。首先,净光合速率显著下降,主要是因为镉破坏光合器官、损伤光合系统、抑制相关酶活性、影响固碳作用,加快色素分解和叶绿体呼吸作用,以及影响电子传递和气孔调节。其次,造成107杨对硝酸盐、氨基酸的吸收和运输能力减弱,以及相关酶、辅酶活性的下降;镉还通过影响钾离子通道的活性,破坏离子平衡,从而对107杨造成毒害作用。最后,抗氧化系统遭到很强的破坏,会造成过氧化物下降,过氧化物、抗坏血酸和维生素E合成途径的下调。(5)镉胁迫会影响107杨对其他刺激的响应,不仅会出现交叉适应性,也会造成对某些刺激响应的下降。镉胁迫时叶部对镉离子和锌离子刺激的响应存在同步现象,这可能由于镉、镁价电子排布的相似性,形成竞争关系,影响了酶活性和正常生理反应。镉对植物细胞壁的破坏造成细胞壁修饰、相关酶活性以及大分子物质合成过程下调,并加速大分子物质分解。(6)107杨应对镉胁迫时出现了黄酮、类黄酮、黄酮醇等合成的pathway上调现象,但是根部在镉胁迫80天,茎部在200 mg/kg的镉胁迫80天时并没有此现象,说明长时间镉胁迫会降低植物对镉胁迫积极响应,影响顺序为根茎叶。
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【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S792.11;X53;X173

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