不同补光时长对辣椒幼苗生长生理的影响及其转录组分析研究

发布时间：2020-09-11 17:35

　　在我国西北地区,受低温影响,深冬及早春季节,日光温室采光时间仅7小时左右。光照时间短是影响温室作物生长发育及产量形成的重要因素。温室补光已成为提高日光温室园艺作物产量和质量的重要途径。然而,我国温室补光应用研究还处于起步阶段,尚缺乏补光对作物影响的系统研究。有关光强及光质对作物生长发育的研究较多,鲜有不同补光时长对作物生长发育影响的研究。试验以辣椒为试材,采用LED补光,以模拟每天照光7h为对照(CK),研究补光时长(照光7h+补光1 h(T1),7h+补光3 h(T2),7h+补光5 h(T3))对辣椒幼苗生长生理和转录组差异基因表达的影响,揭示不同补光时长影响辣椒生长生理的分子机制。主要取得以下研究结果:1、每天照光7小时后,补光1h、3h和5h均能显著提高辣椒幼苗干物质的积累。补光3h和5h可显著提高辣椒幼苗的株高、根表面积、根投影面积和根体积。与补光1h和5h相比,补光3h可显著提高幼苗总根长和根尖数。补光1h和3h能显著促进辣椒幼苗叶片形态发育。与补光3h较5h相比,补光5h的幼苗叶面积显著小于补光3h处理。补光3h和5h较补光1h及CK相比,可显著提高叶绿素a含量。补光5h的净光合速率、气孔导度均显著低于补光3h。2、叶绿体超微结构表明,补光3h的叶肉细胞中叶绿体数目增加,叶绿体形态以椭球形为主,紧贴着叶肉细胞膜分布,叶绿体之间紧密分布但没有重叠,叶绿体基粒片层堆垛紧密,可见明显的淀粉体积累,叶绿体数目明显增多,光合能力较强。补光3h处理下幼苗叶片的光系统Ⅱ最大量子效率(Fv/Fm)、实际量子产量(ΦpsⅡ)均显著高于补光5h,较补光5h和CK相比,补光3h的调节性能量耗散(Y(Ⅱ))显著低于补光5h和CK。3、RNA-Seq测序表明,T1和CK之间有124个差异基因,其中82个基因显著上调,42个基因显著下调;T2与CK差异基因1283个,其中显著上调705个,显著下调578个;T3与CK差异基因1091个,显著上调553个,显著下调538个。4、T2与T3相比,显著上调347个基因,显著下调590个基因。GO注释分析表明,这些异基因显著富集在15个GO term中,其中包括木葡糖基转移酶活性(xyloglucosyl transferase activity),载脂蛋白(apoplastic),细胞多糖代谢(cellular polysaccharide metabolic)与细胞碳水化合物代谢过程(Cellular carbohydrate metabolic process)和植物的光反应密切相关。CPRF2,Paggis,HLIPS,GIGANTEA,LSH1和FTSH等与植物光反应有关的基因,在不同的处理中表达均有显著差异。5、KEGG Pathway富集分析表明,T2 vs.CK(P0.05)比较组中,有19个基因显著富集在植物病原互作(Plant-pathogen interaction),9个基因显著富集在玉米素生物合成(Zeatin biosynthesis),24个基因显著富集在植物激素信号转导(Plant hormone signal transduction)等代谢途径中。T2 vs.T3(P0.05)比较组中,有20个基因显著富集在植物病原互作(Plant-pathogen interaction),5个基因显著富集在倍半萜和三萜生物合成(Sesquiterpenoid and triterpenoid biosynthesis),6个基因显著富集在玉米素生物合成(Zeatin biosynthesis),4个基因显著富集在类黄酮生物合成(Flavonoid biosynthesis)等代谢途径中。6、蛋白质定量分析对照组与T1、T2和T3处理组的DEGs,发现Csp41b,PGM,ASP1,CAP家族,CHLM,MPEC等基因(蛋白)在不同处理幼苗叶片中的表达差异明显,且在蛋白和基因层面表达趋势一致,相关性也较高。
【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】：S641.3
【部分图文】：

全光谱,光谱质量,白色LED,LED光源

甘肃农业大学 2019 届博士学位论文第二章不同补光时长对辣椒幼苗生长指标的影响2.1 材料与方法2.1.1 试验场地本试验在甘肃农业大学园艺学院人工气候室及蔬菜学生理实验室中进行。2.1.2 试验材料以“陇椒 5 号”为试验材料，种子购自甘肃省农业科学院种子市场。试验光源为全光谱白光 LED 灯（如图 1 a）和红蓝比为 8R:2B 的 LED 灯（如图 1b），均购自深圳泛科科技有限公司。a b

辣椒叶,叶绿体

叶绿体的长轴和细胞壁大致平行。栅栏组织由一层柱状细胞组成且细胞排列紧密，叶绿体可见双层膜结构（图7 d）,使用透射电子显微镜对各处理辣椒叶片组织细胞进行观察（图 7），对照植株中（图 7a-d）,叶片细胞叶绿体基粒片层结构稍模糊，单个细胞中叶绿体分布不规则且在细胞中分布较少，排列松散，细胞间隙大，叶绿体的形状主要呈现半圆形分布于细胞壁上（图 7，a），在对照辣椒叶片的组织中未见明显淀粉体积累。CKT1T2T3图 7. 辣椒叶片细胞超微结构Figure 7. Ultrastructure of chloroplast in pepper leaves

异基因,结果分析

图 12. 处理间差异基因表达结果分析图Figure 12. Differentially expressed genes between treatments5.3.3 不同处理组中 DEGS 的 GO 分析GeneOntology（简称 GO,http://www.geneontology.org/）是基因功能国际标准分类体系。GO Term 为分子功能，生物过程和细胞组成三个大类。基因或蛋白质可以通过 ID 对应或者序列注释的方法找到与之对应的 GOTerm，反映不同的生物学功能。得到差异表达基因后，富集分析阐明本研究样本差异在基因功能上的体现。由于 T2 组对植物生长和生理指标的影响最为显著，分析了来自于 CKvs.T2 组的 356 的基因，DEGs 显著富集在 15 个 GOTerm 上。分子功能主要富集在以下 6 个途径：木葡聚糖转葡糖苷酶活性（xyloglucan:xyloglucosyltransferaseactivity, go:0016762）、水解酶活性（hydrolaseactivity,actingonglcosylbonds,GO:0016798）、核酸结合转录因子活性（nucleicacidbindingtranscriptionfactoractivity,GO:0001071）、转录因子活性、序列特异性 DNA 结合（transcriptionfactoractivity,sequence-specific DNA binding, GO:0003700）、转移己糖基酶活性（transferase activity, transferring

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