狗牙根耐寒生理及分子机制解析

发布时间：2018-01-06 22:39

本文关键词：狗牙根耐寒生理及分子机制解析　出处：《中国科学院研究生院(武汉植物园)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：低温是限制植物生长、发育、繁殖以及地理分布的一个重要环境因子。通过生理生化以及分子等技术手段来研究植物耐寒机制,进而提高植物尤其是经济作物的耐寒性,具有重要的意义。近年来,随着研究技术的不断更新,国内外在植物耐寒性研究方面得到了长足发展,研究人员从生理生态以及蛋白组、代谢组、转录组等不同层面,多角度解析了植物的耐寒机理,挖掘到大量耐寒优异基因,并通过转基因技术提高了植物的耐寒性。狗牙根(Cynodon dactylon)属禾本科多年生草本植物,广泛分布于热带、亚热带以及暖温带,是一种典型的暖季型草种。狗牙根的应用广泛,可作为草坪草应用于运动场、高尔夫球场、公园及庭院等等；由于狗牙根生长快、产量高,对牲畜适口性好,也可作为牧草；此外,狗牙根生活力强,繁殖迅速可选作优良的护坡植物。因此,狗牙根在经济、农林、环境等方面都有较好的发展前景,但由于其最适生长温度在30℃左右,温度低于10℃就出现萎黄,出现冷季休眠,耐寒性不足,其推广应用也被低温所限制。本研究对采集自我国不同地区的野生狗牙根种质进行了耐寒性筛选,建立了狗牙根耐寒表型数据库,并从中筛选鉴定了相对极端耐寒和对低温敏感的野生狗牙根种质。利用144对SSR标记对狗牙根种质进行了基因型标定和群体结构分析；基于基因型、表型和群体结构的关联分析,发掘与野生狗牙根耐寒性相关的分子标记,为狗牙根耐寒育种奠定基础；通过转录组测序技术,挖掘狗牙根耐寒基因；外施小分子物质,探索提高狗牙根耐寒性有效且快速的方法。主要研究结果如下：1.野生狗牙根种质抗寒表型鉴定及耐寒表型数据库建立在低温胁迫处理下,对不同来源的狗牙根种质的耐寒功能性状进行测试分析,利用模糊数学中的隶属函数法对其耐寒能力进行综合评价,建立了狗牙根耐寒表型数据库。结果表明,不同地理来源的狗牙根种质的耐寒能力多样性丰富,存在着较大变异；狗牙根耐寒性与其纬度来源关系密切,一般来说纬度较高来源的种质耐寒性较强,反之,纬度较低来源的种质耐寒性较弱。利用功能性状判别和聚类分析,发现地理来源相同或相近的狗牙根种质能够聚类在一起。通过综合评价,最终筛选到了相对耐寒和低温敏感的野生狗牙根各5份。2.狗牙根耐寒性状关联分析通过SSR标记和耐寒表型数据关联分析,群体结构分析结果表明,供试的106份狗牙根种质被分为2个亚群,其中来源于西北(主要为新疆)地区的种质被划为同一个亚群。SSR的聚类分析结果显示,纬度来源相同或相近的种质趋于聚在一起。基于基因型、表型和群体结构的关联分析,在P0.01水平下发掘到285个SSR位点与耐寒性状相关联；通过进一步校正之后,在P3.5×104水平下,有15个显著关联的SSR位点,最高解释度达到了57%,其中位点CDGA2-1011-1012、CDCA1-27-28和CDCA2-203-204等3个位点同时与多个不同的性状相关联。3.狗牙根耐寒相关基因的挖掘、功能鉴定及抗寒分子机理解析利用转录组测序技术,发掘到多个参与狗牙根低温胁迫应答的基因,例如钙信号通路相关基因,转录因子家族成员：CBF、NAC、WRKY和bHLH等。通过分析比较不同处理条件下差异表达基因的规律,我们发现在低温胁迫下,与对低温敏感种质相比,耐寒狗牙根种质能够更快的调节基因表达来参与低温胁迫应答,且一些低温诱导基因的表达量在耐寒种质中的表达水平更高；经过4℃低温驯化后,与对低温敏感种质相比,狗牙根耐寒种质能够更加有效的调节基因表达来应答零下冷冻(-5℃)胁迫。KEGG代谢通路富集分析表明光系统调节、激素信号转导等与狗牙根的耐寒性密切相关。利用RACE技术从上述差异表达的候选基因中,克隆鉴定了一个编码WRKY转录因子的基因,并命名为CdWRKYl,通过病毒介导的基因沉默(VIGS)技术对CdWRKYl基因进行了功能验证,初步的研究表明CdWRKYl基因参与调节狗牙根的耐寒性。4.小分子物质参与调节狗牙根的耐寒性我们调查了外源施加小分子物质对狗牙根耐寒性的影响,结果发现,外施一氧化氮(NO)和褪黑素(MLT)之后,低温胁迫下狗牙根细胞膜的稳定性增强,抗氧化酶活性提高。叶绿素荧光动力学分析结果发现,PSII过程中的电子和能量传递链明显改善。基于GC-MS技术,对代谢产物分析结果发现,外施MLT之后,在低温胁迫下,狗牙根体内耐寒相关的代谢产物含量明显升高。这些结果表明NO和MLT通过调节生理和代谢过程来提高狗牙根的耐寒性。综上,我们对我国不同地区的野生狗牙根进行了耐寒综合评价,发现其耐寒性与其纬度来源呈正相关关系；通过关联分析,我们发掘到了15个SSR位点与狗牙根的耐寒性相关；并且,我们基于转录组测序技术挖掘到了大量与狗牙根的耐寒相应基因；此外我们还发现了NO和MLT能提高狗牙根的耐寒性。本研究为狗牙根耐寒机制进行了多方面解析,并未来的狗牙根耐寒育种提供了重要依据。
[Abstract]:In recent years , with the continuous updating of research technology , it has been widely distributed in tropical , subtropical and warm temperate zones . It has been widely distributed in tropical , subtropical and warm temperate zones . The results were as follows : 1 . The results were as follows : 1 . The identification of cold resistance and cold tolerance of dog tooth root were analyzed by means of the correlation analysis of genotype , phenotype and population structure . The results showed that NO and MLT could improve the cold tolerance of dog roots by regulating the physiological and metabolic processes . The results showed that NO and MLT could improve the cold tolerance of dog roots by regulating physiological and metabolic processes .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉植物园)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S688.4

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