不同外源碳调控葡萄试管苗生长的分子机理研究

发布时间：2020-09-10 14:48

　　 碳是植物细胞的重要组成物质,作为能量供应植物生长。植物将外源碳转化为糖并合成其他物质,糖可作为内源信号来调节植物生长发育、应对环境变化。前人研究表明外源碳与葡萄试管苗生长发育关系密切,为进一步研究外源碳调控葡萄试管苗生长的分子机理,本试验以葡萄“黑比诺”(V.vinifera L.)试管苗为材料,利用外源CO_2(1000±40μmol·mol~(-1))和蔗糖(2%)处理葡萄试管苗。通过以下4个生长条件进行处理:S0:GS培养基,含0.1mg·L~(-1) IAA,不含蔗糖,环境CO_2(380±40μmol·mol~(-1));Cs:含0.1mg·L~(-1) IAA和2%蔗糖,高浓度CO_2(1000±40μmol·mol~(-1)),GS培养基;C0:含0.1mg·L~(-1) IAA的GS培养基,不含蔗糖但高浓度CO_2;S1:GS培养基,含0.1mg·L~(-1) IAA,含2%蔗糖,环境CO_2浓度。结合葡萄试管苗生长生理变化,通过RNA-seq和iTRAQ技术分析不同外源碳引起的葡萄试管苗转录组与蛋白质组表达差异,联合两个组学分析外源碳对葡萄试管苗生长相关功能基因及分子机理的调控作用,主要研究结果如下:1.不同外源碳处理对葡萄试管苗各项生理指标影响不同。高浓度CO_2能够提高试管苗叶片相对电子传递速率(ETR)和光化学淬灭系数(qP),降低非光化学淬灭系数(NPQ),进而影响试管苗叶片气孔导度,显著降低蒸腾速率,显著增加叶片净光合速率,促进光能转化为化学能,提高光能利用率。高CO_2还能促进试管苗叶面积、生物量增加。而试管苗叶片可溶性蛋白、可溶性糖以及叶绿素的变化可能受培养基糖含量影响,与高CO_2浓度不相关。外源碳处理后试管苗叶片GA和ZR含量相比无碳处理显著增加,高浓度CO_2叶片ABA含量显著低于正常CO_2处理,IAA在不同碳处理间无显著变化。2.外源碳通过乙烯信号通路调控葡萄试管苗的生长。通过对葡萄试管苗“黑比诺”四个处理转录组与蛋白组数据分析,Cs、C0及S1处理分别与CK相比较,共鉴定到70个显著差异基因和65个显著差异蛋白。根据生物学功能及生理特性鉴定到8个显著差异基因及2个差异蛋白与乙烯信号过程相关。乙烯相关差异基因分别为:ERF5(LOC100244353、LOC100247763、LOC100254616及LOC100261260),ERF105(LOC100249507、LOC100259725),ERF2(LOC100254640)以及CTr(CTr7)。2个显著差异蛋白分别为:S-adenosylmethionine synthase 5(SAM synthase 5;XP_002280106.1)and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase 2(ACC oxidase 2;NP_001267871.1)。转录组与蛋白质组学联合分析表明外源碳通过调控ACC oxidase 2抑制乙烯生物合成。而上调表达的CTr7和ERF5与乙烯信号途径相关。外源碳通过乙烯信号途径调节植物生长,但是抑制了乙烯的生物合成。3.高浓度CO_2通过影响RbcS与Rca的转录与翻译促进葡萄试管苗光合作用。转录组学与蛋白质组学分析葡萄试管苗“黑比诺”不同处理,通过Cs、C0与S1分别比较,在高CO_2条件下共富集到1814个显著差异基因(465个上调表达,1349个下调表达)和172个显著差异蛋白(80个上调表达,97个下调表达)。GO分析与KEGG分析,富集得到三条显著变化的通路:光合天线蛋白通路、光合作用及代谢通路。光合天线蛋白通路中包含9个差异蛋白、光合作用包含6个差异蛋白,而代谢通路包含48个差异蛋白。高CO_2条件试管苗叶面积、株高、qP、ΦPSII及ETR相比对照都增加,而Fv/Fm与NPQ相比对照下降。这些生理指标的变化与差异蛋白的功能有关。通过组学联合分析表明高CO_2对基因的转录与翻译过程有不同的影响。高CO_2引起RbcS与Rca上调表达进而促进试管苗光合作用,加速了葡萄试管苗有自养型向异养型转化。4.高CO_2能够影响葡萄试管苗次生代谢。通过转录组学与蛋白质组学分析高CO_2条件葡萄试管苗“黑比诺”不同处理,在Cs versus S1比较组中共有748个差异基因(116个上调表达,632个下调表达),共有115个差异蛋白(48个上调表达,67个下调表达)。在C0 versus S0比较组中共有379个差异基因(174个上调表达,205个下调表达),共有125个差异蛋白(31个上调表达,94个下调表达)。对差异基因及差异蛋白通过GO及KEGG分析,富集到类黄酮代谢途径显著变化。其中CHS、F3H、FAOMT及flavonoid-3,5'-hydroxylase等类黄酮代谢途径相关酶基因大量表达,stilbene synthase大量下调表达,同时在蛋白质组中CHS显著上调表达。说明高CO_2可能促进植物次生代谢中的苯丙烷代谢向类黄酮、花青素代谢途径转移,而抑制了植物二苯乙烯类物质合成。5.根据前文研究结果,选择与乙烯信号相关转录因子ERF5及糖代谢相关GDP-L-半乳糖磷酸化酶两个基因进行克隆及瞬时表达载体的构建。通过生物信息学分析,预测两个基因的结构、理化性质及亚细胞定位。克隆ERF5、GDP-L-半乳糖磷酸化酶基因片段并进行测序鉴定,构建得到P-1300-GFP-ERF与P-1300-GFP-G瞬时表达载体后,进行洋葱表皮细胞亚细胞定位及烟草叶片外植体转化,结果表明两个基因在细胞中的定位与预测一致。
【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】：S663.1


本文编号：2815947