油菜种质资源耐寒性鉴定与全基因组关联分析

发布时间：2020-08-26 16:15

【摘要】：甘蓝型油菜是我国食用植物油的主要材料来源,种植面积和产量均居我国油用作物的前列。随着近年来环境气候不断变化、晚直播播种方式普及、甘蓝型冬油菜逐渐北移等现实情况的进一步发展,甘蓝型油菜在抗寒性方面的劣势亟需研究改善,抗寒性甘蓝型油菜种质资源的筛选也应尽快完善,这将极大促进我国油菜产业的发展,提高我国的食用植物油自给率。本研究通过建立一套快速可行的甘蓝型油菜耐寒性鉴定方法,对107份甘蓝型油菜微核心种质资源进行耐寒性鉴定,以获得耐寒优异种质,并通过全基因组关联分析手段筛选耐寒候选基因,结合转录组测序来进一步筛选耐寒相关候选基因,为甘蓝型油菜耐寒育种提供基因和理论参考。主要研究内容和结果如下:1.油菜耐寒性优异种质资源筛选。以10份甘蓝型油菜为对象,以5℃、8℃和10℃三个温度梯度处理,进行萌发实验,通过分析不同低温对各个品种的发芽率、发芽指数和活力指数等指标的影响,确立了以5℃、8℃为低温处理温度,以发芽率、发芽指数和活力指数为指标的耐寒性鉴定方法,并通过此方法对107份甘蓝型油菜进行耐寒性表型鉴定,经分析数据,筛选出3份强耐寒资源,分别为:华黄1号、JANPOL和P27,为后期的耐寒育种和耐寒机理等方面的研究提供材料基础。2.全基因组关联分析发掘油菜耐寒候选基因。综合107份甘蓝型油菜的耐寒性表型数据与重测序基因组数据,通过全基因组关联分析手段筛选耐寒候选基因。共关联到11个与甘蓝型油菜耐寒性显著相关的SNP位点。通过检索基因注释信息筛选关联分析得到的基因,共选出16个候选基因,主要与钙离子通道、氧化还原酶活性、细胞结构等有关。3.甘蓝型油菜耐寒材料的转录组分析。以鉴定到的耐寒型材料为对象,以5℃为实验条件,对萌发期不同萌发阶段的种子进行取样并转录组测序分析,差异表达基因显示,与常温露白时相比,常温露白前共检测到158个差异表达基因,与低温露白相比,低温露白前共检测到1630个差异表达基因,与常温露白前相比,低温露白前共检测到747个差异表达基因,通过聚类分析将其分为6大类。富集分析发现,低温露白前与常温露白时期的差异表达基因的功能注释主要涉及生长素相关和内源刺激相关的途径、光合系统相关等方面,KEGG通路富集分析显示光合蛋白与低温下种子萌发露白显著相关。4.甘蓝型油菜耐寒相关COR413基因分析。COR413基因是冷胁迫响应基因COR家族中的一类,对检索到的甘蓝型油菜COR413家族基因进行生物信息学分析,发现甘蓝型油菜COR413家族蛋白的结构域保守性较高,均为疏水性且较稳定的蛋白,并且含有芳香类氨基酸色氨酸(Trp),推测COR413家族基因对低温胁迫下植物的生长起重要作用,COR413家族基因大部分定位在膜上。
【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】：2019
【分类号】：S565.4
【图文】：

生理活动,电导率

图 1.1 种子萌发过程及主要生理活动 (Bewley，Black,1994)Fig 1.1 Seed germination process and main physiological activitiesJ，2016; Longo V,2018; Thakur P,2013）。低温还会导致细胞膜成分的变化，涉及不饱和脂肪酸含量变化、甘油脂组分的变化、不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸位置的重构、蛋白组分的变化以及离子通道的激活等。低温还能改变膜的流动性,并最终导致种子的萌发受到影响（Hilhorst，1998）。低温胁迫导致细胞膜结构破坏后，细胞内容物质会外渗并导致细胞的电导率增加，并且温度降低与电导率呈负相关，温度低到一定程度后，细胞膜完全被破坏且不可逆，电导率也将达到稳定状态。有研究发现油菜叶片 2℃时的电导率和其在 8℃时的电导率相同，可以理解为油菜叶片的膜结构在 2℃条件下已完全被破坏（Hyun-Sung Kim，2013）。1.1.3 低温破坏植物体内渗透调节物质的平衡低温胁迫能破坏植物细胞原有的物质平衡，如内容物外渗等，当低温造成的损害在一定程度内时，大多数植物会通过增加或减少渗透调节物质来维持细胞在逆境下的渗透压，保证植物的正常生长（Rout G R，2013; Ishitani, M.,1997）。脯氨酸是植物渗透调节的重要物质之一，具有很强的亲水性。当植物遭遇低温胁迫时，其机体会通过增加体内脯氨酸来维持细胞的正常活动，且呈现出脯氨酸增加幅度随植物自身的抗寒性

过程图,植物,进程,细胞

图 1.2 植物冷驯化进程中不同的细胞过程（Theocharis A. 2012）Fig.1.2 Different cellular processes induced as a consequence of plant acclimation to cold有助于植物抵御寒冷。研究植物冷驯化过程发现，低温可诱导植物产生新的蛋白质（何若韫，1Orvar B L,2000; Theocharis A, 2012; 图 1.2），且有研究提出低温显著降低冷驯化中基因表达的电子传递（Lee，2002；Zsigmond，2008）。可溶性糖是植物代谢活动的能源物质，还具有降低植物冰点的功能，以提高植物的抗寒（姚远，2010）。低温胁迫时，抗寒性强的植物可溶性糖含量可显著升高，积累的可溶性糖不为植物体提供充足的能量来源和生化反应原料，促进植物抗寒相关代谢活动的进行，还可以植物细胞液浓度，减少水分外渗进而提高植物抗寒能力（Barka，2012）。1.1.4 低温导致植物过氧化低温逆境会导致植物细胞氧化，产生活性氧自由基，损伤植株（李春燕，2011）。当植物低温胁迫时，体内原有的活性氧代谢系统会受到影响，导致植物体内活性氧含量增加，对植造成不同程度的伤害。比如，低温使植物体内活性氧自由基含量增加，同时降低超氧化物歧（Superoxide dismutase ,SOD）的活性，这样一来就加重了植物细胞膜脂的过氧化。过氧化物酶（Catalase,CAT）是一种重要的植物保护性酶，对清除活性氧自由基起着至关

示意图,信号网络,低温胁迫,示意图

图 1.3 植物响应低温胁迫的信号网络示意图（Pareek A，2017）Fig.1.3 Schematic representation of signaling network in response to low temperature stress.、油菜、小麦等作物中均得到验证。但在番茄抗寒性研究中发现，低温胁迫时强抗其超氧化物歧化酶活性呈明显增强，弱抗寒品种则变化不大（陈贻竹，1988）。不论酶活性升高还是降低，强抗寒性品种超氧化物歧化酶活性均大于弱抗寒品种（戴晶，2000）。即便低温胁迫使得植物超氧化物歧化酶活性降低，也表现为强抗寒品种上均证明低温下植物抗寒性强弱与其体内超氧化物歧化酶活性密切相关。渗透调节物质与抗寒脯氨酸含量与植物耐低温性相关的研究很多，低温下，植物体内游离脯氨酸含量显植物体内的水分，细胞液浓度增大，冰点降低，从而有效的降低植物冰冻损伤（周蕴游离脯氨酸含量变化能够在一定程度上反应植物抵御严寒的能力。低温胁迫下植物量增加，可以调节植物植物细胞内的水分含量保持平衡，减少失水以保持细胞结构的抗寒性，同时也起到一定的保护作用（Jackson，1965）。有研究发现，低温环境中苜蓿，其根部的游离脯氨酸增加量差异显著，且随着品种抗寒性增强，增加量g,1960；张荣华，2006）。

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