镉胁迫下菜心的转录组分析

发布时间：2020-06-27 19:24

【摘要】：镉(Cd)是我国污染范围最广的重金属元素。在我国南方自然酸性土壤中,镉的生物有效性高,其危害作用也更为严重。镉不仅会导致作物生长受损、产量减少,还能通过食物链传递,人长期食用镉超标食品会导致许多疾病如肺癌、肾衰竭、骨质疏松等疾病。菜心(又名菜薹),十字花科芸薹属植物,在中国南方地区有大面积的种植,是南方重要的叶菜类的蔬菜之一。菜心相较于其他农作物而言镉富集能力较强,长期食用会有潜在危害,因此有必解析菜心响应镉的、吸收和转运镉的分子机理,进而通过分子手段控制菜心的镉积累量是十分必要的。本研究首先分析种植比较广泛的几种常规菜心品种,在重金属镉胁迫下对种子的萌发和幼苗的生长的影响以及镉积累量情况。结果表明,在50μmol/L Cd(NO_3)_2处理下,8个不同品种的菜心种子的萌发时间与对照组相比缩短了,但萌发率并未受到明显抑制;从种子萌发10天根的生长情况来看,只有三个菜心品种(油青49、绿宝70天、油绿702)的根生长受抑制作用,其余品种均无显著性差异。镉胁迫下的菜心幼苗,80天油青、改良19、尖叶40地上部生长明显受到抑制作用,但油青49根部生长明显被促进,而其余品种的生长无显著差异。说明镉胁迫下菜心不同品种之间的镉耐受性存在差异,不同品种菜心对镉的胁迫响应机制有可能不同。油青49在种子萌发实验中,镉胁迫下对根长生长是受抑制的,而在幼苗实验中,镉胁迫下其根的生长却受到促进作用,说明在不同发育阶段,菜心对镉胁迫的响应不同。从幼苗的镉积累量来看,50μmol/L Cd(NO_3)_2胁迫处理菜心幼苗6天,各品种间地上部或根部的镉积累量无显著性差异。为了认识和研究菜心镉胁迫响应基因,本研究对品种油青49地上部、根部镉处理前后的样本mRNA进行转录组高通量测序,并以镉处理前的样品作为对照,获得差异表达基因,经GO和KEGG注释、分类、富集分析发现,差异表达上调基因的GO富集分析主要富集在与氧化还原过程、毒素的代谢、各种转运蛋白(如Zn~(2+)转运蛋白)的活性、调节细胞死亡、和木栓质、水杨酸生物合成过程等亚类功能中。差异表达下调的基因的GO富集分析,主要富集在与光合作用、DNA复制、细胞有丝分裂、细胞壁组分和微管细胞骨架组织等的亚类功能中;其中在木质素代谢条目中,有LAC4、LAC11、LAC17等与木质素合成相关的基因,说明菜心在镉胁迫后木质素合成可能受到影响;在金属离子转运条目中,有HMA2、ZIP家族基因、Nramp4等基因,镉胁迫后基因表达水平上调,说明这些基因可能与镉的吸收转运相关。而KEGG途径富集分析主要包括植物对逆境的响应途径(苯丙素、芥子油苷、角质等物质的生物合成途径;谷胱甘酸、半乳糖、硫等物质代谢途径)、植物激素的信号传导途径(植物中的MAPK信号通路、植物激素信号传导等)、光合作用(光合作用-天线蛋白质、类胡萝卜素的生物合成等)等,以上显著富集到GO分类条目、KEGG途径是都很可能参与到镉胁迫响应机理中。选取已报道与镉转运相关的基因家族,挑选在差异表达基因集合当中的基因作为qPCR验证基因,如HMA2、MRP7、ABCG40、NRAMP1、YSL2等,且这些基因在GO数据库中注释到与金属离子转运相关的GO条目。通过qPCR验证差异表达基因,qPCR结果与转录组分析结果相关性较好,说明转录组分析结果可靠。Nramp家族基因在拟南芥和水稻中对镉的吸收以及积累起着重要作用,在我们的转录组数据分析中,进一步以AtNramp、OsNramp序列与转录组数据进行比对分析找到三个同源基因分别是Bra000573、Bra008437、Bra012154,发现Bra008437和Bra012154是差异表达上调基因,它们可能在菜心的镉吸收和积累中起作用。对菜心中Nramp家族基因进行克隆,成功克隆出菜心中Bra000573、Bra008437、Bra012154基因,测序结果与参考基因组的序列同源性高。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S634.5;X171.5
【图文】：

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图 2-1 菜心水培流程图2.2.3 地上部、根部镉含量的测定（1）植株的消解过程镉胁迫处理 6 天后收取植物样品，烘干后进行消解：置于消解管中，加入 10 ml 65%浓硝酸进行微波消解，微波消解程序如表 2-6。表 2-6 微波消解程序程序温度（℃）功率（W）升温时间（min）保温时间（min）1 130 1500 10 52 150 1500 10 -3 190 1500 15 -4 190 1500 - 30待微波消解程序完成后，冷却至常温取出消解管，需在通风橱中打开消解管进行定容。定容时使用高纯水，倒出消解液后用少量高纯水冲洗消解管 2~3 次后定容至 50 ml。

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镉胁迫下菜心的转录组分析镉胁迫下菜心种子萌发 10 天的根长如图 3-2 所示，8 个品种菜心除了改良 19 以外，其余品种在 50 μmol/L Cd（NO3）2条件下与对照组（未添加 Cd）相比，萌发 10 天后的根生长均受一定程度的抑制，但只有油青 49、绿宝 70 天、油绿 702 这三个品种的根生长表现出明显受抑制，其余品种根生长均无明显差异，说明这油青 49、绿宝 70 天、油绿 702 这三个品种的根生长对 50 μmol/L Cd（NO3）2胁迫作用是比较敏感的。

【参考文献】