菠菜硝酸盐积累差异的生理特征与关键基因筛选

发布时间：2019-02-23 18:14

【摘要】：菠菜是重要的世界性叶用蔬菜,然而菠菜极易积累硝酸盐。硝酸盐的大量积累会降低菠菜的卫生品质,增加人体罹患高铁血红蛋白症和消化道癌的风险。为揭示菠菜硝酸盐积累规律,控制菠菜硝酸盐积累水平,本研究以前期筛选的硝酸盐含量差异显著的4份菠菜材料为研究对象,在两种硝态氮(NO_3~--N)浓度水平下,比较菠菜硝酸盐积累差异的生理特征,揭示影响基因型间硝酸盐积累差异的可能生理原因,并根据硝酸盐转运蛋白(nitrate transporters,NRTs)及同化酶基因的表达模式,从转录水平上分析和筛选与菠菜硝酸盐积累性状密切相关的候选基因。同时,分析不同环境处理(喷施谷氨酰胺、高温、弱光)对菠菜硝酸盐积累及相关基因表达模式的影响,揭示环境因素影响菠菜硝酸盐积累的可能分子机制。最后,克隆了4个可能与菠菜硝酸盐积累有关的SoNRT1s基因CDS全长,并进行生物信息学分析。具体结果如下:1.采用高、低硝态氮浓度(0.5mM、15mM)水培试验,比较了4个菠菜基因型(S10、S13、S18、S57)硝酸盐含量、NO_3~--N吸收能力、同化酶活性及其它氮素利用指标的差异,结果表明,低氮处理下S18硝酸盐含量与S13差异不显著,两者硝酸盐含量均显著高于S57,S10硝酸盐含量最低。高氮处理下S13硝酸盐含量最高,其次是S18,S10与S57硝酸盐含量最低。S13的15NO_3~--N吸收效率在高、低硝态氮浓度水平下均高于其它基因型,而其氮素生理利用效率(NutE)、氮素利用效率指数(NUR)显著低于S18和S57;S18和S57的地上部分干质量、硝酸还原酶活性、NutE、NUR显著高于S13和S10,而15NO_3~--N吸收速率低于S13;S10地上部分干质量、硝酸还原酶活性、NutE、NUR显著低于S18和S57,15NO_3~--N吸收速率及氮素吸收效率显著低于S13。供试材料中S57在高、低氮浓度下均具有较高的NutE和较低的硝酸盐含量,可用于菠菜高产优质品种选育。2.不同硝态氮浓度水培条件下,2个菠菜材料(S10、S18)硝酸盐转运蛋白和氮素同化酶基因的表达模式分析表明,SoNRT1.1a/b、SoNRT1.5a/b/c、SoNRT2、SoNIA、SoGS1基因主要在菠菜根中表达,SoNRT1.4、SoNRT1.6、SoNRT1.9a/b、SoGS2基因主要在菠菜地上部位表达,SoNRT1.2、SoNRT1.3基因无明显的组织表达特异性。供试基因在菠菜S18中的表达水平普遍高于S10。与低氮处理相比,高氮下供试基因的表达在处理的个别时间点出现上调,多数基因表达上调的幅度达到几倍至几十倍,S18叶片中SoNRT1.1b、SoNRT1.5a、SoNRT1.5c基因及S10根中SoNRT1.3基因上调达一千倍以上,S18叶片中SoNRT1.4基因的表达上调幅度接近一万倍。菠菜叶片硝酸盐含量与SoNRT1.1b、SoNRT1.2、SoNRT1.5c、SoNRT1.9b的表达水平呈中度相关;叶柄硝酸盐含量与SoNIA、SoGS1基因的表达中度相关。3.比较喷施谷氨酰胺(Gln)(70 mg/L)、高温(36℃)、弱光(10μmol/m~2/s)处理1 h和24 h对菠菜硝酸盐含量及SoNRT1.1a/b、SoNRT1.2、SoNRT1.3、SoNRT1.4、SoNRT1.6、SoNRT1.5c、SoNRT2、SoAS、SoNIA、SoNIR、SoGS1/2、SoNADH-GOGAT、SoFd-GOGAT基因表达的影响,结果显示:喷施谷氨酰胺和高温处理短暂降低了菠菜的硝酸盐含量,处理24 h时硝酸盐含量又恢复至对照水平;弱光则显著提高了菠菜地上部位硝酸盐的积累。各处理下菠菜根部多数SoNRTs基因的表达受到持续抑制,而SoNRT1.2、SoNRT1.3在弱光处理下表达水平先降低后小幅度升高,SoNRT1.3、SoNRT1.4、SoNRT2在Gln处理24 h时表达量显著升高,SoNRT1.2、SoNRT1.6、SoNRT1.5c在高温处理24 h时不同程度上调。弱光和Gln处理降低了菠菜地上部位大部分SoNRT基因的表达水平,而高温处理下菠菜地上部位大部分SoNRTs基因表达丰度升高,此外SoNRT1.1a和SoNRT1.2表达量分别在Gln处理1 h时和弱光处理24 h时显著上调。除1 h热处理外,其它处理下菠菜地上部位大部分氮同化酶基因的表达下调,外施Gln对SoFd-GOGAT、SoGS1、SoNIA的表达影响不大。4.对不同处理下筛选到的11个候选基因进行克隆,成功克隆到4个SoNRTs序列(SoNRT1.1a、SoNRT1.3、SoNRT1.5c、SoNRT1.9b)的CDS全长,生物信息学分析表明这些基因编码的SoNRTs蛋白均为疏水性蛋白,疏水区分布基本一致,与拟南芥NRT蛋白具有相似的保守基序。亚细胞定位预测表明大部分SoNRTs蛋白分布于细胞膜上。将菠菜SoNRTs与多个物种的NRTs蛋白进行直系同源关系分析发现,菠菜SoNRT1.1a、SoNRT1.5c蛋白与甜菜BvNRT1.1、BvNRT1.5蛋白序列相似性最高,印证了两者较近的亲缘关系。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S636.1

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本文编号：2429078