小麦渐渗系山融4号根系碱胁迫响应转录组及相关基因功能研究

发布时间：2020-09-17 13:45

　　土壤盐渍化是制约农业生产的重要因素。碱性土壤呈高pH,易板结,通透性差,肥力低。研究表明,土壤的碱化是由于土壤中含有大量的NaHCO3和Na2CO3成分,造成土壤具有较高的pH,这种碱性土壤往往比含有NaCl和Na2SO4等中性盐的土壤给植物造成更为严重的伤害。目前对植物的耐盐机制已经有了广泛的研究,但对植物碱胁迫抗性机制的研究还很少,因此迫切需要加强植物尤其是农作物耐碱机制的研究。1山融4号是研究小麦耐碱机理和耐碱功能基因筛选的良好材料山融4号(Shanrong No.4,简称SR4)是从普通小麦济南177(Triticum aestivum L.2n=42)与其耐盐碱近缘属长穗偃麦草(Thinopyrum ponticum 2n=70)不对称体细胞融合杂种中筛选出来的耐盐渐渗系新品种。在本论文中,我们对山融4号和对照品种在不同盐碱地、盐碱池中的产量指标进行了测定。2013年,在东营市孤岛马场的盐碱地中山融4号和小麦渐渗系耐盐品种山融3号的生长状况远好于它们的对照亲本济南177,另外在潍坊市寒亭盐碱地中山融4号的表现也好于耐盐小麦的对照品种德抗961。2014年,在东营市垦利县盐碱地的种植实验中,山融4号较山融3号和济南177分别增产15.0%和35.4%。在东营市孤岛盐碱地的种植实验中,山融4号较山融3号和济南177分别增产18.6%和42.4%。在人工浇灌的碱池中,山融4号的产量也明显高于济南177和山融3号。综合上述结果表明山融4号具有很强的耐碱性。2利用第二代转录组测序技术分析小麦根系碱胁迫相关功能基因我们观察了济南177和山融4号幼苗期在碱胁迫下的表型,实验结果显示,山融4号在幼苗期的生长发育明显优于亲本济南177。叶片及根中各项生理生化指标测定显示,山融4号在脯氨酸含量及各种清除酶活性上均优于济南177,而Na+/K+和丙二醛(MDA)含量则低于济南177。我们利用第二代高通量测序技术分析了对照条件及碱处理0.5 h及24 h条件下,济南177和山融4号中的基因表达变化。在六组样品中,我们一共获得了2814938个原始数据,数据筛选后有1229902条高质量的数据。通过与参考数据库的比对,有123730条基因得到注释。研究发现,在这两种不同品种的小麦中,碱胁迫条件下差异表达基因的GO分析富集的途径是非常相似的,主要集中在各种化合物的代谢过程、胁迫响应途径及物质运输途径。碱胁迫条件下,山融4号在吸收营养所需的阴离子和阳离子,维持植物体内pH及根系周围环境pH,有效地清除活性氧及表观遗传修饰的相关基因具有表达优势,可能参与到山融4号对碱胁迫的响应机制。3 Aux/IAA蛋白家族基因TalAA10影响植物对碱胁迫的抗性在转录组数据中,我们找到了一个在碱胁迫下表达发生变化、且在山融4号和济南177中变化趋势不同的生长素早期响应Aux/IAA蛋白家族基因TaIAA10。之前有研究表明,生长素可以减少碱胁迫的抑制作用,但是具体的调节机制尚不清楚,所以我们研究了生长素是否影响山融4号对碱胁迫的响应。通过观察比较对照条件、单独的碱胁迫条件及同时施加生长素和碱胁迫条件下山融4号的生长状况,发现生长素的添加减弱了碱胁迫对山融4号生长的抑制作用。为了验证TalAA10基因的功能,我们构建了该基因的小麦过表达株系(OX)及拟南芥过表达系(OE)。表型分析显示,在碱胁迫条件下,野生型小麦叶片明显萎蔫,叶片变黄,OX系叶片呈现绿色,根长大于野生型,表明TalAA10提高了小麦对碱胁迫的抗性。在NaHCO3及碱性pH处理条件下,拟南芥OE系与野生型在萌发率上没有明显区别,但萌发后幼苗的生长明显好于野生型。幼苗期,OE系在碱性pH条件下的叶片生长及根的相对生长要明显好于野生型。以上结果表明：TalAA10可能参与植物对碱胁迫的响应过程。4 Aux/IAA蛋白家族基因TalAA10影响植物发育TalAA10编码一个Aux/IAA蛋白,主要在细胞核中定位,具有该蛋白家族的四个保守结构域。TalAA10与短柄草、水稻、高粱及玉米等禾本科植物中同源基因相似性较高。TalAA10过表达不影响拟南芥种子的萌发率,但是抑制了幼苗子叶和根的生长,同时导致下胚轴伸长。另外,OX的地上部分,OE系的下胚轴和根丧失了重力性反应。观察正常条件下生长约一周的野生型及OE系,我们发现,OE系不能形成侧根。AtLBD29基因在OE系中的表达量明显低于野生型,可能与OE系不能形成侧根相关。与野生型相比,白光下OE系的下胚轴更长,黑暗下、远红光和蓝光条件下则比野生型短,表明TalAA10参与了光形态建成过程。TalAA10的表达量受到NAA的诱导,在24 h恢复至对照水平。OE系植株表现出对高浓度生长素的不敏感性,表明TalAA10可能通过植物体内生长素信号途径来调控植物的发育。5 TalAA10通过ABA合成和信号途径提高植物对非生物胁迫的抗性利用OE系进一步探讨TalAA10提高植物对非生物胁迫的抗性机理。在外源添加ABA条件下,OE系在萌发后幼苗形成及幼苗期的根的生长上表现出更高的耐受性。进一步分析显示,OE系中ABA合成途径中关键酶AtNCED3及ABA依赖的胁迫应答途径中的AtMYC2、AtRD29B和AtRAB18的表达显著上调；AtAB13、AtABI4和AtABI5的表达量显著下调。拟南芥OE系在渗透胁迫条件下,幼苗期的相对根伸长比野生型要高,表现出对渗透胁迫的抗性。氧化胁迫条件下,OE系与野生型相比,敏感性降低。OE系中AtAPX2及AtSOD的表达量上调。与后两种胁迫处理相比,OE系在ABA处理条件下的表型更明显,且ABA信号通路相关基因的表达变化更大。综合以上结果,推测TalAA10主要通过ABA合成及信号转导途径来调节植物对非生物胁迫的响应。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S512.1;Q943.2
【部分图文】：

生长素,信号途径,信号转导,响应因子

还有生长素响应因子（ＡＲＦｓ）和ＳＣＦ邋（ＳＫＰｌ－ＣＤＣ５３／ＣＵＬｌ－Ｆ－ｂｏｘ）复合逡逑体等，在信号转导过程中起重要的调控作用。这些组分共同建立了完整的生长逡逑素信号途径（图１－２）。逡逑Ｉ逡逑８逡逑

模式图,泛素,模式图,蛋白

４．１．２．４邋ＳＣＦＴ眶化复合体调巧Ａｕｘ／ＩＡＡ蛋白的巧解逡逑Ａｕｘ／ＩＡＡ蛋白的不稳定性与泛素介导的蛋白质降解相关，在高浓度生长素条逡逑件下容易被降解（图１－３）。泛素通过Ｓ个步骤结合到底物蛋白上，第一步是通逡逑过泛素激活酶Ｅｒ激活泛素；第二步是泛素从封酶复合体转移到泛素转移酶Ｅ２逡逑１１逡逑

模型图,模式图,信号途径,蛋白

Ｈｄｂｄ邋＾逡逑卿邋ｅ逡逑图１－３邋ＳＣＦ？ＷＢｓ消除Ａｕｘ／ＩＡＡ蛋白阻遏激活ＡＲＦ蛋白的模式图（Ｗｏｏｄｗａｒｄ邋ａｎｄ逡逑Ｂａｒｔｅｌ邋２００５）。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｅ邋ＳＣＦＴＩ民邋１邋ｒｅｌｉｅｖｅｓ邋Ａｕｘ／ＩＡＡ邋ｒｅｐｒｅｓｓｉｏ打邋ｏｆ邋ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ邋ＡＲＦｓ．邋（Ａ）Ａ打逡逑ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ邋ＡＲＦ邋ｐｒｏ１：ｅｉｎ邋（ｇｒｅｅｎ）邋ｂｉｎｄｓ邋ａｎ邋ＡｕｘＲＥ邋ｐｒｏｍｏ１；ｅｒ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｖｉａ邋ａｎ邋Ｎ－ｔｅｒｍｉｎａｌ逡逑ＤＮＡ邋ｂｉｎｄｉｎｇ邋ｄｏｍａｉｎ邋（ＤＢＤ）．邋Ｕｎｄｅｒ邋ｌｏｗ－ａｕｘｉｎ邋ＣＯ打ｄｉｔｉｏｎｓ，邋ａｎ邋Ａｕｘ／ＩＡＡ邋ｒｅｐｒｅｓｓｏｒ逡逑（ｒｅｄ）邋ｂｉｎｄｓ邋化ｅ邋ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ邋ＡＲＦ邋ｖｉａ邋ｈｅ化ｒｏｄｉｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋Ａｕｘ／ＩＡＡ邋ａｎｄ邋ＡＲＦ逡逑１２逡逑

【共引文献】