李砧木榆叶梅对碱胁迫的响应机理研究

发布时间：2020-05-06 18:59

【摘要】：全世界及中国都有大面积的盐碱化土地,四川省川中丘陵地区是碱性土壤的集中分布区,也是四川省中国李(Prunus salicina Lindl.)的主要种植区。由于土壤pH值较高,此区李树普遍出现缺铁性黄化症状,抑制植株生长、引起早期落叶、对果实产量及品质造成严重影响,成为本区李产业发展的一个重要限制因素。李树主要通过嫁接进行繁殖,其耐碱问题的实质就是砧木的耐碱问题。目前,李主要采用毛桃作为其砧木,但毛桃具有耐碱性较差的缺点。而李的另一种同属砧木榆叶梅,是一种天然的耐盐碱性植物,在盐碱土壤[pH为8.8(盐含量为0.3%)]中能够生长良好,且与中国李嫁接亲和性好。为此,我们采用榆叶梅作为试材进行碱胁迫处理,分别对叶片形态结构、生理生化代谢、光合作用特征和基因差异表达四个方面进行了观测和分析。本研究首次从形态、生理、分子的角度全面对榆叶梅在单一碱胁迫下的响应机制进行探索,并获得了大量基因序列数据,极大地丰富了榆叶梅可利用的基因资源,可加深对榆叶梅碱胁迫生理生化和分子响应机制的了解,同时也可为弄清李树的碱胁迫适应机制提供新的见解和奠定基础。本研究结果也将对未来培育耐碱性较强的作物新品种,开发利用碱化土地等都具有积极而深远的意义。本研究得到的主要结果如下:1、碱胁迫对榆叶梅叶片形态结构的影响。在碱胁迫处理0 d(对照)、12 d(处理)时,取植株中上部叶片进行显微观察,结果表明,与对照叶形态结构相比,碱胁迫处理后的叶片厚度略微增加,上、下表皮某些大细胞有所变扁;叶肉结构更为紧密,栅栏组织明显变厚,其组织细胞变得细长;海绵组织细胞略微变小,其组织结构更为紧凑;叶室空间明显减小,栅栏组织与海绵组织的厚度比增大;叶片气孔密度有较大程度的增加,气孔体积明显变小,气孔开张程度减小或处于半关闭状态;叶片角质层厚度有不同程度的增加。可以看出,榆叶梅叶片在其组织形态建成过程中,会根据土壤条件的变化而改变其建成的方向,形成相适应于碱胁迫环境的显微结构,进而提高其抗碱性能力。2、碱胁迫对榆叶梅生理生化代谢的影响。在碱胁迫处理的0 d、3 d、6 d、9 d和12 d这五天分别取样对10项生理活性指标进行测定。结果表明:随着胁迫的持续进行,叶片相对含水量(Leaf relative water content,LRWC)从82.11%下降到51.24%,叶片相对电导率(Relative electrical conductivity,REC)逐渐增大,胁迫12 d时叶绿素(Chlorophyll,Chl)含量比对照下降了58.05%,丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量在碱胁迫下呈“爬坡型”升高趋势,胁迫第12 d时丙二醛含量比对照增加了135.39%,可见,随着碱胁迫时间的延长,榆叶梅叶片细胞逐渐脱水,叶绿素降解加快,细胞质膜透性逐渐增加;榆叶梅叶片可溶性糖(Soluble sugar content,SSC)积累量显著增加,可溶性蛋白(Soluble protein content,SPC)含量呈现先升后降的“单峰”变化趋势,游离脯氨酸(Proline,Pro)含量在碱胁迫下均明显高于对照,且12 d时达到对照的4.47倍;榆叶梅通过在体内积累这些渗透调节物质来降低细胞渗透势,使细胞能够保持正常的水分吸收,并稳定体内生物大分子的结构与功能。过氧化物酶(Peroxidase,POD)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)三种酶的活性都在碱胁迫下呈现持续增加的态势,增加幅度最大的是POD,其次是CAT和SOD,这些保护酶活性的增加可减少植物体内活性氧的大量积累,从而减缓其对内部组织造成的伤害。综上所述,榆叶梅在碱胁迫下可通过不同生理生化的调节来进行自我保护和适应。3、碱胁迫对榆叶梅光合作用的影响。于碱胁迫处理第12 d的7:00-19:00,每2 h对对照与碱胁迫处理的榆叶梅植株叶片进行光合指标测定,结果表明:对照和处理榆叶梅的净光合速率(Net photosynthetic rate,P_n)日变化均呈现出明显的双峰曲线,处理的P_n日均值比对照降低了33.10%;气孔导度(Stomatal conductance,G_s)的变化规律与P_n的日变化基本一致,呈平行变化趋势;叶片的胞间CO_2浓度(Internal CO_2concentration,C_i)日变化类型与P_n基本相反,整体表现出早上和晚上其浓度较高、中午较低的变化规律;处理和对照蒸腾速率(Transpiration rate,T_r)的日变化均呈“单峰”型曲线,处理一直低于对照,其峰值明显降低,且峰出现的时间略提前;水分利用效率(Water use efficiency,WUE)一天内处理均高于对照,日均值是对照的1.14倍。可以看出,榆叶梅在碱胁迫环境中通过气孔开放程度控制CO_2出入对光合作用进行调节,在保证不明显影响光合速率的同时,尽量降低自身蒸腾速率,提高水分利用效率,这是榆叶梅通过光合生理的变化适应逆境的一种重要机制。4、碱胁迫对榆叶梅基因表达的影响。为了进一步了解榆叶梅在短期碱胁迫下的分子响应机制,本研究采用Illumina HiSeq?2500高通量测序技术对其在0 h、1 h、3h、6 h和12 h碱胁迫下的叶片进行了de novo转录组测序,以此来识别与碱胁迫相关的差异表达基因(differentially expressed genes,DEGs)和SSR(simple sequence repeat)标记。本研究从5.96千万条raw reads中获得了将近5.30千万条高质量clean reads,并经过从头组装后获得了124,786条榆叶梅unigenes。在这些unigenes中,总共有8948unigenes被识别作为DEGs。基于这些DEGs,进行基因本体(gene ontology,GO)富集分析发现,其中有28个基因可能在早期碱胁迫响应机制中起着重要的作用;而对这些DEGs进行KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)富集分析表明,不同碱处理时间下的KEGG途径(pathways)具有显著的差异。此外,本研究还检测得到了14,073个与碱胁迫相关的具有1-6个核苷酸重复类型的SSR位点。对7个碱性相关基因进行荧光定量PCR(qRT-PCR)验证发现,qRT-PCR所得基因的表达模式基本与RNA-Seq数据结果一致,证实了RNA-Seq结果的可靠性。通过转录组分析可知,榆叶梅在碱胁迫条件下会启动或加强一些基因的表达,以提高自身对不良环境的抵抗和适应能力,在分子水平对逆境做出响应。
【图文】：

）等（王顺才，2011）。植物体内众多器官和组织均能产生ROS（王顺才，2011；Jaspers和Kangasj rvi，2010）（如图1-1），其中叶绿体和线粒体是产生ROS的主要场所。在正常环境条件下，植物体内 ROS 的产生与清除处于动态平衡状态，其含量保

依赖 ABA 这条途径中，发现大多数响应盐胁迫基因中含有 DRE 元件[一段 9 bp 的保守序列（TACCGACAT）]（杜伟，2005）。图1-2 盐应答的SOS途径Fig.1-2 SOS Pathway in plants response to salt
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S662.3;S156.4

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本文编号：2651718