陆地棉野生种系基于转录组与代谢组学抗旱分子机制研究

发布时间：2020-07-23 00:52

【摘要】：棉花是我国重要经济作物,其种植区域多为干旱地区。干旱对棉花的生长发育造成严重影响,最终导致棉花的质量下降,产量减少。陆地棉野生种系是陆地棉野生类型,具有抗旱、纤维品质高等优良性状。本研究使用PEG6000对32份棉花材料进行模拟抗旱性鉴定,通过对干旱抗感材料进行转录组测序和代谢组分析,研究半野生棉干旱胁迫响应机制。1.通过PEG6000水培下处理不同棉花幼苗,在3片真叶期对32份材料进行抗旱性鉴定,通过表型观察发现24h干旱胁迫后表型变化能够作为区分材料抗旱强弱的指标。测量其茎干重、主根长、根干重作为抗旱性指标,能够反应棉花不同材料的抗旱性。通过多次鉴定试验,筛选出抗旱材料玛利加郎特棉85、玛利加郎特棉46、阔叶棉179;干旱敏感材料阔叶棉40、阔叶棉186、尖斑棉23。其中玛利加郎特棉85为干旱高抗材料、阔叶棉40为干旱敏感材料。2.对陆地棉野生种系抗干旱材料玛利加郎特棉85、干旱敏感阔叶棉40以及陆地棉中棉所12作为对照进行处理后进行转录组测序,得到2.66×10~9clean reads,比对后得到64617个基因。对不同时间点差异基因分析,发现干旱胁迫上调基因明显多于下调基因,表明棉花主要通过正调控响应干旱胁迫。对不同组织差异表达基因分析以及不同通路差异表达基因分析,表明不同组织响应干旱机制不同。通过GO和KEGG功能富集分析,表明黄酮类物质、谷胱甘肽、抗坏血酸、萜类等抗氧化物质相关代谢通路在干旱胁迫下起到关键作用。3.对陆地棉野生种系抗干旱材料玛利加郎特棉85、干旱敏感阔叶棉40以及陆地棉中棉所12进行代谢组分析,共检测到762种代谢产物,其中包括24种黄酮类化合物、4种萜类、70种氨基酸衍生物。对代谢物表达量分析,干旱胁迫48h叶片代谢物表达量上升数量显著高于下降数量,根部下降数量高于上升数量,表明不同组织响应干旱胁迫差异性。通过对根部谷胱甘肽代谢通路进行转录组和代谢组分析,表明谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、谷胱甘肽合成酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酰转肽酶、抗坏血酸还原酶等相关基因以及还原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)、L-半胱氨酸、L-谷氨酸、L-抗坏血酸等代谢物在干旱胁迫下起重要作用。对黄酮类合成进行关联分析,表明代谢物质绿原酸、花青素、二氢杨梅素、圣草酚、木犀草素、柚皮素查耳酮、柚皮素、山奈酚、儿茶素、杨梅素、高圣草酚等以及与查耳酮合酶、反式肉桂酸酯4-单加氧酶、查耳酮异构酶、咖啡酰辅酶A、氧-甲基转移酶、类黄酮3'-单加氧酶、黄酮醇合酶等相关基因表达在干旱胁迫下起重要作用。材料抗旱性差异与调控这些抗氧化物质代谢的基因表达不同有直接的联系。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S562
【图文】：

干旱胁迫,表型,硕士学位论文,科学院

PEG干旱胁迫部分材料不同时间点的表型变化

生理指标,处理组,对照组,模拟干旱胁迫

图 2.2 处理组与对照组生理指标比较A.主根长处理组与对照组比较；B.茎干重处理组与对照组比较；C.根干重处理组与对照组比较Figure 2.2 Comparison of the measured physiological indicators between the treatment group and the control groupA. The main root length comparison between treatment group and the control group; B. The stem dry weight comparisonbetween retreatment group and the control group; C. The root dry weight Comparison between treatment group and thecontrol group.2.3 讨论干旱是影响作物生长发育的主要非生物胁迫之一，PEG6000 模拟干旱胁迫已经成为了对植物进行抗旱性研究的主要方法（吕小红等，1990；王延琴等，2009；张雪妍等，2009；李震等，2008）。至今为止，在多种植物上已经使用 PEG 处理研究干旱胁迫，如甘蔗、油菜等（郭晋隆等，2013；李震等，2008）。在棉花上 PEG 也已经被用来模拟干旱胁迫，开展棉花抗旱方面的研究。前人研究提出对植物真叶幼苗期进行干旱处理，可以用来鉴定植物的抗旱性（张雪妍等，2009），本研究通过使用 PEG6000 模拟干旱胁迫处理棉花幼苗，对棉花幼苗 3-6 片真叶期进行抗旱性鉴定。其结果与本实验室对上述材料在田间抗旱性鉴定结果基本吻合，表明 PEG6000 模拟干旱胁迫鉴定半野生棉的抗旱性的可靠性。研究发现半野生棉材料具有较多优异性状，为棉花的研究提供了

叶片,转录组,数据准确性

19图 3.1 材料间差异基因分布 A.R85 叶片不同比较组间差异基因分布 B.S40 叶片不同比较组间差异基因分布C.G12 叶片不同比较组间共同差异基因分布 D. R85 根不同比较组间差异基因分布 E.S40 根不同比较组间差异基因分布 F.G12 根不同比较组间差异基因分布 G. R85 叶片和根差异基因分布 H.G12 叶片和根差异基因分布 I.S40 叶片和根差异基因分布Figure 3.1 Gene distribution among different materialsA.: Differential gene distribution among different comparison groups in R85 leaves; B: Differential gene distribution ofamong different comparison groups in S40 leaves; C: Gene distribution among different comparison groups in G12leaves; D: Differential gene distribution among different comparison groups in R85 roots E. Differential gene distributionamong different comparison groups in S40 roots; F: Differential gene distribution among different comparison groups inG12 roots; G: Differential gene distribution between leaves and roots in R85; H: Differential gene distribution betweenleaves and roots in G12; I: Differential gene distribution between leaves and roots in S40.3.3.4 荧光定量验证转录组数据准确性通过 qRT-PCR 验证转录组测序数据的可靠性，我们在根部和叶片分别挑选 7 个基因确定引物的特异性后对每个材料的不同时间点进行荧光定量（附录 1）。得到荧光定量数据后，对荧光

【参考文献】