不同抗旱性紫花苜蓿响应干旱的生理及分子机制研究

发布时间：2020-11-01 17:14

　　 干旱是制约生态环境建设、植物分布和生产力的世界性问题。全球干旱、半干旱地区约占陆地面积的35%,且有逐年增加的趋势。干旱胁迫所导致的作物减产,超过其他环境因子胁迫所造成减产的总和。研究植物响应干旱胁迫的形态、生理生化和分子机制,发掘参与植物干旱胁迫响应的调控/功能基因并明确其作用机理,将为提高植物抗旱性、选育抗旱优良品种、发展抗旱高产农业提供理论指导。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上广泛分布且享有盛誉的优良豆科牧草,在改善生态环境、水土保持方面具有天然优势。然而,日益加剧的干旱对紫花苜蓿的种植面积和产量构成了严重威胁,干旱地区的旱作苜蓿产量只有通过抗旱苜蓿品种的培育和应用才能达到增产和稳产。通过比较抗旱性差异显著的紫花苜蓿品种对干旱胁迫的形态、生理及分子响应差异,将有助于揭示紫花苜蓿适应干旱的关键机制,从而为深入研究紫花苜蓿的抗旱机制提供理论依据。基于此,本研究以强抗旱陇中苜蓿(Medicago sativa L.cv.Longzhong)为供试材料,以中抗旱陇东苜蓿(Medicago sativa L.cv.Longdong)和弱抗旱甘农3号紫花苜蓿(Medicago sativa L.cv.Gannong No.3)为对照材料,采用PEG模拟干旱胁迫,首先比较了不同胁迫水势和胁迫时间处理下,不同抗旱性苜蓿品种幼苗叶片和根系对干旱胁迫的形态及生理响应差异;随后从转录组学、蛋白质组学与代谢组学水平上对比分析了强抗旱陇中苜蓿和弱抗旱甘农3号紫花苜蓿幼苗根系响应干旱胁迫的分子机制,鉴定出参与响应干旱胁迫的关键候选基因、蛋白及代谢物;最后从形态、生理生化及分子水平上对比分析了强抗旱陇中苜蓿的关键抗旱机制。主要结果如下:(1)-1.2 MPa PEG-6000模拟干旱胁迫9 d是区分干旱胁迫下供试苜蓿幼苗生长及生理响应差异的敏感处理条件。根系是紫花苜蓿幼苗抗旱的关键部位。紫花苜蓿的抗旱能力与较强的抗氧化防御能力和较低的脂质过氧化程度密切相关,抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环是提高紫花苜蓿抗旱能力的重要机制。长期干旱胁迫下,陇中苜蓿表现出最高的叶片保水能力、光合能力和渗透调节能力,最低的脂质过氧化和最高的抗氧化酶(GPX、MDAR、DHAR和GR)活性及最高的抗氧化酶基因(MsGPX、MsMDAR、MsDHAR和MsGR)的表达水平,这些酶及其基因主要参与AsA-GSH循环,以维持细胞内ROS产生和清除之间的平衡。甘农3号紫花苜蓿表现出最高的脂质过氧化和最低的抗氧化酶活性及基因表达。陇东苜蓿具有中等的维持光合作用的性能及非酶促和酶促ROS清除系统协调能力。(2)-1.2 MPa PEG-6000模拟干旱胁迫9 d后,通过不同抗旱性紫花苜蓿品种根系的转录组测序(RNA-Seq)分析,在陇中苜蓿和甘农3号紫花苜蓿根系分别鉴定出12,585个差异表达基因(DEGs)(6,605个上调,5,980个下调)和14,724个DEGs(8,049个上调,6,675个下调),两者共同具有8,336个DEGs(4,013个上调,4,323个下调)。这些基因主要参与碳水化合物代谢、脂质代谢、氨基酸代谢和次级代谢、信号转导、细胞防御和胞内运输、转录和翻译调控及其他未知途径。与甘农3号紫花苜蓿相比,干旱胁迫促进了陇中苜蓿根系结构性碳水化合物代谢、脂质代谢(角质,小檗碱和蜡生物合成及油脂合成途径)、氨基酸代谢、次级代谢、信号转导(Ca~(2+)信号传导、乙烯和茉莉酸生物合成)、细胞防御(微管蛋白和过氧化物酶体)及氨酰基-tRNA生物合成相关的基因表达。相比之下,甘农3号紫花苜蓿根系参与转录和翻译调控的基因表达及转录因子的表达均易受干旱胁迫的影响。(3)-1.2 MPa PEG-6000模拟干旱胁迫9 d后,通过不同抗旱性紫花苜蓿品种根系的蛋白质组学分析,在陇中苜蓿和甘农3号紫花苜蓿根系分别鉴定出71种差异积累蛋白(DAPs)(47种上调,24种下调)和90种DAPs(41种上调,49种下调),两者共同具有19种DAPs(13种上调,6种下调)。这些蛋白主要参与碳水化合物及能量代谢、胁迫及防御、蛋白代谢、细胞膜及运输、信号转导、转录、细胞壁及细胞骨架代谢及其他未知功能。干旱胁迫显著诱导了陇中苜蓿根系参与活性氧(ROS)解毒、次级代谢、蛋白质加工、跨膜转运及细胞壁和细胞骨架代谢的蛋白上调表达;而显著改变了甘农3号根系信号转导相关蛋白的表达。(4)-1.2 MPa PEG-6000模拟干旱胁迫9 d后,通过不同抗旱性紫花苜蓿品种根系的非靶向代谢组学分析,在陇中苜蓿和甘农3号紫花苜蓿根系分别鉴定出59种差异表达代谢物(DEMs)(38种上调,21种下调)和66种DEMs(39种上调,27种下调),两者共同具有46种DEMs(30种上调,16种下调)。供试苜蓿通过改变氨基酸及其衍生物、脂质(甘油酯和甘油磷脂)、次级代谢物(有机酸、异黄酮和黄酮)、核苷酸及其衍生物及其他代谢物含量来适应干旱胁迫。干旱胁迫显著降低了甘农3号紫花苜蓿根系的代谢物含量,而陇中苜蓿根系内大部分与氨基酸代谢、苯丙烷类合成以及嘌呤和嘧啶代谢相关的代谢物含量显著增加。(5)就形态及生理水平而言,陇中苜蓿幼苗的强抗旱能力与其体内有效的生物量调配机制、较强的叶片保水能力、较强的渗透调节能力、较低的膜脂过氧化和ROS积累水平、较强的酶促及非酶促抗氧化系统的防御能力有关;就分子水平而言,干旱胁迫下,陇中苜蓿能够显著诱导根系参与碳水化合物代谢、脂质代谢、氨基酸代谢和苯丙烷类生物合成、信号转导、细胞防御以及氨酰基-tRNA生物合成相关的基因表达;激活与胁迫防御和解毒以及跨膜运输相关蛋白的表达,有效维持蛋白加工和降解的平衡,同时增强细胞壁调节能力;有效地促进关键代谢物的合成代谢途径,提高渗透调节能力、ROS解毒能力和细胞膜稳定性,最终增强其抗旱能力。此外,异黄酮生物合成途径是陇中苜蓿适应干旱胁迫的关键代谢途径。本研究初步探明了强抗旱能力苜蓿品种抗旱的形态、生理及分子适应机制,鉴定了强抗旱能力苜蓿品种响应干旱胁迫的关键代谢通路及关键胁迫响应基因、蛋白和代谢物,有关以上候选基因、蛋白和代谢物在提高苜蓿抗旱性的作用机制还有待进一步研究。
【学位单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S541.9
【部分图文】：

图 1-1 干旱胁迫抑制植物生长的主要s of growth reduction in plants under dro迫的适应性会通过改变叶片的形态结构减少植物细胞膨压降低，植物叶片下片方向来适应干旱，即通过旋转光照射方向保持平行来拦截太阳太阳辐射，降低叶片温度，防止有一些旱生植物结构如叶片小而、栅栏组织较厚、较高的栅栏组皮毛能够减少强光环境下植物的累有助于形成蜡质并增强光的反温度对其造成的伤害[16]。较厚的

甘肃农业大学 2019 届博士学位论文在胁迫后不断积累，同时在 JA 瞬时积累之后开始快速增加，说明干旱胁迫下，JA 可能参与 ABA 的生物合成，并诱导植物后期的胁迫响应[46]。2.3 植物对干旱胁迫的分子响应机制干旱胁迫下，植物细胞通过各种信号传感器感知并接收胁迫信号，将胞外信号转变为胞内信号，胁迫信号通过不同的信号转导通路传递，其中植物激素、第二信使、信号转导器和转录调节器等在信号转导过程中起着重要作用。胁迫诱导基因受多种胁迫信号调节，胁迫基因按功能分为两类：一类基因是编码直接参与胁迫耐受的功能蛋白；另一类基因是编码间接作用的调控蛋白，例如信号传感器，可形成正负反馈环来调节胁迫反应（图 1-2）。这两类基因通过复杂而有序的方式共同参与植物干旱胁迫响应，以保证缺水环境下植物体内正常的生长发育[47,48]。干旱胁迫 Drought stress

甘肃农业大学 2019 届博士学位论文差异及其相互作用，表型组学侧重研究各种不同环境条件下不同基因型的表变化（图 1-3）[95]。系统地阐明作物抗逆基因（蛋白）的功能及作用机理有于提高作物对逆境胁迫的耐受性，加快作物抗逆育种进程。功能基因组学研因其在揭示植物响应逆境胁迫的复杂机制的突出优势越来越受到研究人员的视[96]。DNA 序列 DNA sequences

本文编号：2865843