西藏野生垂穗披碱草低温适应机理研究

发布时间：2019-07-12 08:32

【摘要】：低温是北方和高寒地区植物生产的主要限制因素之一,也是影响植物分布的关键因子。据统计,全球每年因低温冷害造成的作物生产损失高达数千亿元。因而研究植物低温适应机理,提高其低温适应能力具有重要的科学价值和现实意义。广布于高寒缺氧极端生境条件下的西藏野生垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.),是研究低温适应较理想的优质牧草;亦是麦类作物的野生近缘种,拥有麦类作物所缺乏的优质、高产、抗病、抗虫、抗旱、抗寒、耐盐碱等优良基因,具有重要的农艺学价值。本研究主要以采集于西藏当雄县的野生垂穗披碱草(Damxung,DX)为研究对象,以甘南垂穗披碱草品种(E.nutans cv.Gannan,GN)为对照材料,采用各种生理生化实验手段、质谱(LS-MS/MS)及RNA-Seq高通量测序的方法,系统地探究当雄野生垂穗披碱草在4℃低温胁迫下光合生理、抗氧化防御、内源激素水平,碳水化合物代谢和基因表达的响应,揭示当雄野生垂穗披碱草低温适应的生理及分子机制,为今后更好地利用野生垂穗披碱草中的抗性基因对低温敏感牧草及农作物进行遗传改良奠定了基础。主要研究结果如下:(1)通过对参试的8份野生垂穗披碱草在低温胁迫条件下相对电导率、叶绿素含量及Fv/Fm分析,结果表明,高海拔的BQ,XZ和DX在低温胁迫下细胞膜系统和PSII受损伤程度较轻,表现出较强的低温适应性,而低海拔的DZ,NML和MZG呈现较弱的低温耐受性。低温胁迫下积累较高的可溶性糖,尤其是蔗糖和棉籽糖可能有利于提高高海拔野生垂穗披碱草的低温适应能力。另外,内源植物激素信号和CBFs基因交互作用激活COR14a的表达,有助于维持细胞膜的稳定性,同时对于调节低温胁迫下细胞的防御响应起着重要的作用。(2)利用便携式光合测定仪Li-6400及叶绿素荧光仪PAM-2100,测定了低温胁迫及恢复处理对DX和GN光合气体交换参数和叶绿素荧光参数,结合直角双曲线修正模型,结果表明,低温胁迫和恢复处理的DX叶片维持较高的Pn和Pmax,主要是由于较低的气孔扩散限制及迅速地代谢限制恢复能力。而且胁迫及恢复处理下更高的光合酶活性和碳水化合物的积累也有利于DX叶片维持较高的Pn。恢复处理后DX叶片的Pn,gs,gm和Tr并未恢复到胁迫前的水平,说明低温胁迫下气孔因素是限制DX光合碳同化效率的主要原因。(3)外源褪黑素和ABA处理均能缓解低温胁迫诱导的氧化损伤。外源褪黑素提高垂穗披碱草的低温适应性可能与诱导内源褪黑素产生有关,内源褪黑素作为重要的次生信使进一步激活下游基因如EnCBF9,EnCBF14和EnCOR14a的表达,从而提高抗氧化防御系统活性缓解ROS积累诱导的氧化损伤。进一步的研究显示,低温胁迫下褪黑素可能通过ABA依赖的信号途径提高垂穗披碱草的抗氧化防御响应。(4)为深入探究垂穗披碱草低温适应的分子机制,执行了de novo转录组研究,构建了48个cDNA文库,用Illumina HiSeq 4000平台进行测序,总共得到317.64 Gb的数据,总共鉴定了5600 DEGs。通过HCL聚类和venn分析,发现DX和GN的叶片和根茎在响应低温胁迫时表现出各自特异地应答机制。(5)通过对低温胁迫响应基因进行GO和KEGG富集分析,发现低温胁迫诱导DX产生许多特异的信号转导和细胞代谢防御响应,其中,JA/BR调节的信号途径在胁迫初期发挥重要作用;另外,果聚糖合成、α-亚麻酸代谢及苯丙烷合成途径在DX低温适应中起着积极的作用。(6)通过共表达分析,得到26个hub genes,包括22个DX和4个GN共表达的基因。其中,84.6%hub genes被注释为COR(如:COR413PM1,COR410,DHN5等),揭示了这些CORs在调节当雄垂穗披碱草低温应答响应中起着关键的调节作用。综上研究,本论文首次利用RNA-Seq结合生理研究来探讨西藏野生垂穗披碱草低温适应的生理及分子机理,为今后更好地利用野生垂穗披碱草中的抗性基因对冷敏感牧草及农作物进行遗传改良奠定了基础。
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图片说明： F 转录因子调节途径是目前研究较为深入的低温信号转导，低温胁迫诱导 CBF 基因迅速表达。CBF/DREBs 能够结合域，从而激活其表达（Maruyama et al. 2012）。CBF 信号途录调节、渗透调节物质的合成、ROS 解毒、细胞膜转运、2005; Maruyama et al. 2004）。拟南芥中有 3 个 CBFs 基1c 和 CBF3/DREB1a。过表达 CBFs 基因能够提高拟南芥的 CBF3 导致其对低温较为敏感（Novillo et al. 2007）。与之显示抗冻表型（Novillo et al. 2004）。基因表达分析表明，，在F1 和 CBF3 的表达（Novillo et al. 2004）。CBF 信号转导途BF 同系物在耐低温能力较强的植物如小麦、大麦和欧洲油敏感的水稻、玉米、番茄和樱桃等植物中已经被成功克隆（南芥中 CBFs 基因转到其他植物中也能够增强低温耐受性s 基因过表达到拟南芥中也能提高其抗冻性（Chinnhinozaki and Shinozaki 2006）。
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图片说明： 图 1-2 植物 CBF 冷信号转导途径 (Shi et al. 2015)Fig. 1-2 Regulation of the CBF signaling pathway during cold stress.5 CBF 不依赖的信号途径转录组分析显示仅有 12%的低温胁迫响应基因是受 CBFs 调控表达的（ashow 2002）。因此，CBF 独立的信号途径在低温信号应答中起着至关重，在大豆中，低温胁迫诱导的 C2H2 型锌指蛋白 SCOF1 可能通过增加 b G-Box 结合因子 1 的 DNA 结合活性来诱导下游 CORs 的表达（Kim et 芥 esk1 突变体通过积累高水平的脯氨酸来提高抗冻性，是一种 CBF 不依方式（Xin and Browse 1998）。在转基因 MYB4 水稻中，CORs 表达上调加，表现出抗冻表型（Vannini et al. 2004）。低温胁迫下，Hos9（同源结构突变体中 CBF 的诱导表达与野生型相同，但却表现出冻敏感表型。微阵OS9 的调控子与 CBFs 不同（Zhu et al. 2004）。相似地，尽管 hos10-1 突变下增加 CORs 的表达，但也对冻敏感。进一步研究发现，HOS10 可能D3 的表达，表明 HOS10 可能通过调控 ABA 调节的信号途径来应答低温u et al. 2005）。ABA 依赖的信号途径是目前研究较多的 CBF 不依赖的信
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S543.9


本文编号：2513585