基于组学的柑橘缺铁及硼胁迫分子响应研究

发布时间：2019-10-11 12:46

【摘要】：我国柑橘大多栽培在土壤贫瘠的山地和丘陵,这些地区土壤矿质营养缺乏,其中缺铁和缺硼现象最为普遍。组学是一门新兴的生物学技术,具有通量高、定量准、分辨率高等优点,广泛应用各种生物学研究。利用组学技术能够从基因、转录、翻译等水平对生物现象的分子机制进行全面解析。本研究采用转录组、Small RNA和离子组技术对柑橘缺铁和缺硼响应的分子机制展开研究,具体结果如下:1柑橘缺铁的组学研究以柑橘砧木香橙为材料,通过水培方式模拟柑橘缺铁,采用转录组技术比较了缺铁和对照叶片之间转录水平上的差异。(1)发现缺铁导致913个功能基因差异表达,其中598个基因上调表达,315个基因下调表达。差异表达基因涉及91个代谢途径,其中叶绿素代谢、光合作用(含天线蛋白)和氮代谢途径与柑橘缺铁黄化关系密切:在叶绿素合成途径中,缺铁导致谷氨酰t RNA还原酶(HEMA)、叶绿素(酸酯)b还原酶(NYC1)、香叶基焦磷酸还原酶(Bch P)基因显著下调表达,叶绿素酸酯a氧化酶(CAO)基因上调表达,进而导致叶片总叶绿素含量降低、叶绿素a向叶绿素b转化,其中HEMA下调表达可能是叶绿素降低的主要原因。在光合作用代谢途径中,16个基因下调表达,这些基因分别编码光系统I和光系统II的亚基蛋白(Psb W、Psa F、Psa K、Psa N、Psa O),捕光复合体亚基蛋白(Lhca3、Lhca4、Lhcb1、Lhcb2、Lhcb3、Lhcb4、Lhcb5、Lhcb6)和电子传递链的铁氧还蛋白(Pet F)。这些基因的下调表达可能是缺铁情况下导致叶片光合参数降低的主要原因。在氮代谢途径中,缺铁导致编码硝酸盐转运蛋白(Nrt),硝酸盐还原酶(NR)和铁氧还原蛋白-亚硝酸盐还原酶(nir A)的基因下调表达。这些基因的下调表达可能是导致缺铁叶片氮素营养的吸收和利用受阻的主要原因,进而导致柑橘叶片黄化。(2)分离了147个已知mi RNA和427个新的mi RNA,其中缺铁叶片中50个mi RNA(10个已知和40个新的)上调表达、31个mi RNA(16个已知和15个新的)下调表达,表明mi RNA参与了柑橘对缺铁胁迫适应性的调控,其中有6个mi RNA可能在缺铁胁迫响应中起关键作用:与逆境应答相关的mi R172下调可能增强了缺铁叶片对逆境的抵抗能力;与控制生长发育相关的mi R319和mi R477上调可能抑制了植株生长;与抗氧化相关的mi R397,mi R398和mi R408下调可能增强了Cu/Zn超氧化物歧化酶活性;与控制木质素代谢相关的mi R397和mi R408的下调可能增加了木质素的积累。2关于柑橘缺硼的组学研究以枳砧纽荷尔脐橙(硼低效)和枳砧奉节脐橙(硼高效)为材料、以砂培的方式模拟柑橘缺硼,采用转录组研究接穗影响砧木硼吸收的分子机制。(1)缺硼条件下2个脐橙硼含量、硼积累量和硼分配变化差异显著。在硼足量条件下纽荷尔整株、根和叶硼含量显著高于奉节脐橙,而在缺硼胁迫下,纽荷尔和奉节脐橙的整株硼含量差异不显著、但是纽荷尔成熟叶和幼叶的硼含量显著低于奉节脐橙;缺硼胁迫下纽荷尔叶片中的可利用态硼(自由态硼和半束缚态硼)含量显著低于奉节脐橙,而根中则相反。(2)缺硼条件下2个脐橙根尖生长素、脱落酸和木质素变化差异显著。硼足量条件下2个脐橙生长素、脱落酸和木质素含量无显著差异,但是在缺硼胁迫下:纽荷尔生长素含量降低程度显著高于奉节脐橙、脱落酸含量的升高程度则显著低于奉节脐橙,但是木质素含量的升高程度显著高于奉节脐橙。(3)缺硼条件下奉节脐橙根尖水通道蛋白基因(NIP5;1,PIP2;2,TIP1;3和TIP2;2)、乙烯和脱落酸合成以及信号传导基因(ACO11,ERF,NCED1,Sn RK)的表达上调程度高于纽荷尔;与纽荷尔相比,缺硼条件下奉节脐橙根尖的生长素水解酶相关基因(ILR1和ILR4)的表达显著下调;奉节脐橙根尖木质素合成基因(PAL,COMT和POD)的表达上调程度显著低于纽荷尔。3 mi R397在柑橘硼毒害响应中的作用研究以枳为材料,研究了水培条件下硼毒害对mi R397和LAC7(mi R397的靶基因)的基因表达、漆酶活性和木质素含量的影响。结果发现在过量硼处理后,枳根和叶中的硼含量显著增加、mi R397的表达显著下调、mi R397的靶基因LAC7的表达显著上调、漆酶活性和木质素含量显著增加。由于LAC7是mi R397的靶基因,而LAC7编码漆酶,漆酶又参与木质素的合成,因此本研究认为在硼毒害胁迫下,可能通过下调枳根中的mi R397的表达来负调控LAC7的转录,进而促进漆酶活性增加、木质素的积累。
【图文】：

镁-原卟啉合成原叶绿素酸酯的过程也需要铁的参与（图1.1）缺铁胁迫下叶绿素合成相关酶活性显著降低，从而限制了叶绿素的合成。缺铁不仅抑制叶绿素的合成，还会影响叶绿体膜、叶绿体蛋白复合体捕光复合体的合成。在菠菜缺铁研究中发现，缺铁不仅影响叶绿体数量和叶绿素的含量、还会导致叶绿体变小，甚至解体破裂[23]。因此，缺铁会导致植物叶绿素的合成受抑制。图 1.1 铁在叶绿素合成中的作用[22]Fig. 1.1 The function of iron in chlorophyll biosynthesis铁参与植物光合作用。光合作用电子传递链的光系统 II、光系统 I 和细胞色素b6f 三个重要复合体都含有铁原子。如图 1.2 所示，光系统 II 中含量有 2 个铁原子，1 个非血红素铁与 4 个组氨酸和 1 个重碳酸盐结合，2 个铁原子存在与细胞色素 b599

图 1.2 铁在维持光合电子传递链结构和功能中的作用[24]Fig. 1.2 The structure and function of iron in photosynthetic electron transferchain铁是大量植物蛋白质的组分。含铁的蛋白主要有三类：铁硫蛋白、血红素蛋白
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S666

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 耿庆林;钟云;张永艳;;黄龙病侵染对红橘叶片离子组的影响[J];园艺与种苗;2016年06期

2 李子龙;范敬伟;杨瑞;王绍辉;;MiR319a对番茄生长发育的影响[J];北京农学院学报;2015年04期

3 韩佳;周高峰;李峤虹;刘永忠;彭抒昂;;缺镁、铁、硼胁迫对4个柑橘砧木生长及养分吸收的影响[J];园艺学报;2012年11期

4 吴黎明;蒋迎春;仝铸;王志静;许淼;何利刚;;温州蜜柑“僵果”病的发生原因及防治试验[J];湖北农业科学;2011年20期

5 吴巍;赵军;;植物对氮素吸收利用的研究进展[J];中国农学通报;2010年13期

6 姜存仓;王运华;刘桂东;夏颖;彭抒昂;钟八莲;曾庆銮;;赣南脐橙叶片黄化及施硼效应研究[J];植物营养与肥料学报;2009年03期

7 金亚波;韦建玉;王军;;植物铁营养研究进展Ⅰ:生理生化[J];安徽农业科学;2007年32期

8 肖家欣;严翔;彭抒昂;邓秀新;方贻文;;纽荷尔脐橙缺硼表现与其硼、糖含量年变化的关系[J];园艺学报;2006年02期

9 黄钧如,黄立新;柑橘缺硼病发生加重原因和应对措施[J];中国植保导刊;2005年04期

10 杜昌文,徐芳森,王火焰,王运华;不同硼效的甘蓝型油菜品种中硼的运输差异[J];贵州大学学报(农业与生物科学版);2002年03期

相关博士学位论文 前10条

1 李峤虹;缺硼胁迫对枳根系生长发育及相关基因表达的影响研究[D];华中农业大学;2016年

2 刘政;柑橘珠心胚起始转录组分析及体细胞胚发生相关基因CsFUS3功能鉴定[D];华中农业大学;2015年

3 杨成泉;基于组学的柑橘缺硼响应的分子机理[D];华中农业大学;2015年

4 王南南;柑橘不同砧穗组合及砧木硼效率差异的研究[D];华中农业大学;2015年

5 张雅剑;锦橙晚熟性状机理探讨及候选基因的鉴定[D];华中农业大学;2015年

6 傅仕敏;柑橘黄龙病的细胞病理及其寄主转录组学研究[D];西南大学;2014年

7 马巧利;2，4-二氯苯氧乙酸保鲜柑橘果实采后品质机理[D];华中农业大学;2014年

8 周高峰;柑橘砧木耐缺硼胁迫能力差异的分子机理研究[D];华中农业大学;2013年

9 安吉翠;柑橘硼运输基因CiNIP5和CiNIP6的克隆和功能鉴定[D];华中农业大学;2012年

10 张金智;利用抑制性差减杂交研究早实枳成花转变的分子机理[D];华中农业大学;2010年

相关硕士学位论文 前6条

1 刘涛;缺硼导致枳根畸形的解剖学机制研究[D];华中农业大学;2016年

2 曹继容;柑橘叶片离子组及其对黄龙病病原菌侵染的响应[D];西南大学;2014年

3 朱俊;不同铁肥对柑橘不同砧木及纽荷尔脐橙缺铁矫正效应研究[D];华中农业大学;2013年

4 韩佳;缺镁、铁、硼胁迫对柑橘主要砧木生长及营养吸收特性的影响[D];华中农业大学;2012年

5 李爽;缺硼导致柑橘叶脉木栓化和果实畸形的解剖学机制研究[D];华中农业大学;2012年

6 韩霜;缺硼对柑橘生理生化的影响[D];福建农林大学;2007年

，

本文编号：2547493