大豆抗旱突变体耐旱机理研究

发布时间：2020-09-17 20:30

　　大豆(Glycine max(L.)Merr.)是全球范围内主要的油料和蛋白作物,也是世界上最重要的商品之一。它可以为人们提供大量的植物食用油、微量元素和矿物质,同时也被广泛用作人类食物、动物蛋白饲料和工业原料等,如此广泛的用途使得它已成为全球广泛种植的作物,而且全世界对大豆的需求量还在不断的增加。然而,干旱已成为导致作物减产的最主要的环境因素,也严重制约着大豆的稳产和高产,因此,研究干旱对大豆的影响以及大豆对干旱的应答机制,对选育耐旱性新品种具有重要意义。突变体是功能基因组学研究的重要材料,广泛应用于作物的形态特征、组织结构和生理性状与基因的连锁分析及其相关功能基因的克隆和研究。本论文以大豆抗旱突变体M18及其野生型大豆吉农18(JN18)为试验材料,利用不同浓度的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模拟不同程度的干旱胁迫条件,采用砂培法研究了大豆在不同的生长发育时期对干旱胁迫的响应,同时,运用RNA-Seq技术对其苗期根系转录组进行了分析,探讨了抗旱突变体M18的耐旱机理,主要研究结果如下:1.在不同程度的干旱胁迫条件下,对大豆种子萌发特征与幼苗生长状况进行了研究,结果表明,干旱胁迫对大豆种子的萌发和幼苗的生长均有一定的抑制作用,M18和JN18种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及幼苗的主根长、侧根数、侧根总长、根重和胚芽长均随着PEG处理浓度的增加而下降。在5%~20%PEG处理下,M18种子的发芽指数、活力指数和侧根数显著高于JN18(P0.05);15%PEG处理下,M18幼苗主根长、侧根数、侧根总长和侧根重等指标均极显著高于JN18(P0.01)。干旱胁迫下,M18种子具有较高的发芽指数和活力指数,幼苗根系发达,并且具有较强的抗旱性。2.对M18和JN18苗期进行抗旱性研究,测定其在不同程度干旱胁迫条件下的形态指标和生理生化特性。结果表明,随着干旱胁迫程度的不断加重,M18和JN18植株的主根长、一级侧根数、侧根总长度、根干重和总叶绿素含量等先升高后降低,株高、冠干重及叶片相对含水量(RWC)等则逐渐降低,而根冠比、脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(SS)含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性等随着干旱胁迫程度的加剧逐渐升高。在相同浓度PEG处理下,M18的根干重均极显著高于JN18(P0.01),根体积、株高、冠干重和Pro含量均显著高于JN18(P0.05)。由此表明,M18苗期具有强大的根系和生长优势,并且结合一定生理生化调节能力而表现出较强的抗旱能力,同时,也表明地上部的生长发育与根系的生长状况密切相关。3.对M18和JN18在开花期的抗旱性研究表明,M18和JN18植株的株高、主茎节数和冠干重随着干旱胁迫程度的不断加剧而逐渐减小,主根长、一级侧根数、侧根总长度、根体积和根干重则随着干旱胁迫程度的不断加强而先增加后减少,表明轻度干旱胁迫能促进大豆植株的根系生长;在相同浓度PEG处理下,M18的侧根总长度、根体积、根干重和根冠比略高于JN18,但均未达到显著差异(P0.05)。随着干旱胁迫程度的增加,Pro含量、SS含量、MDA含量和SOD活性逐渐升高,叶片RWC逐渐降低,而POD活性、总叶绿素含量则先升高后降低。在相同处理水平下,M18的SS含量均极显著高于JN18(P0.01);在10%~20%PEG处理下,M18叶片的总叶绿素含量及叶绿素a/叶绿素b等均显著高于JN18(P0.05);当PEG处理浓度≥15%时,M18的叶片RWC、POD活性均显著高于JN18(P0.05),而MDA含量则极显著低于JN18(P0.01)。由此表明,干旱胁迫下,M18开花期具有较强的保水能力、渗透调节能力和酶促抗氧化能力。4.连续2年的田间试验结果表明,M18生育日数约121天,比JN18平均早熟3~4天;M18的主要农艺性状与JN18无明显差异,为圆形叶、紫色花、绿色茎、半直立型生长习性、亚有限结荚习性,褐色豆荚并覆有棕色绒毛,种子为黄色种皮、黑色种脐的圆形粒;M18种子的百粒重平均为12.83 g,且显著小于JN18(P0.05);考种发现M18主要通过增加有效分枝数、单株荚数和单株粒数来提高产量,测产结果表明,M18的产量为3019 Kg/hm2,比JN18平均增产8.10%。5.对M18和JN18苗期根系转录组进行了深度测序,2个样本组共获得了9.35 Gb数据,其中reads数46.31 M条,平均Q20为100%,Q30达到85%,各样品reads与参考基因组比对效率约为85%。对reads进行组装后与原有大豆基因组的已知基因模型相比较,发掘新基因835个,经与数据库比对,有733个新基因得到注释。进一步分析获得572个差异表达基因,其中,以JN18为对照组,M18根系转录组中有227个基因表达量上调,345个基因表达量下调。差异表达基因的COG注释发现一般功能基因分类中所包含的基因数量最多,其次是转录和信号转导机制。6.差异表达基因GO注释发现共有466个差异表达基因映射到GO不同功能的节点。GO功能显著性富集分析表明,共得到13个与生物学过程相关的显著性富集条目,其中大部分条目涉及到激素代谢过程和逆境应答过程;还得到10个与分子功能相关的显著性富集条目,其中大部分条目与植物激素相关的酶的活性有关。差异表达基因KEGG通路分析表明,有74个差异表达基因参与了57个代谢通路,其中参与糖酵解/糖原异生代谢途径的基因最多,其次是植物激素信号转导、氨基酸代谢等;分析得到2条显著富集的代谢通路,共有7个基因被注释到这2条代谢通路中。
【学位单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S565.1
【部分图文】：

流程图,实验操作,流程图,测序

位论文一物种的整体转录情况，进而快速、全面的获得该物种在的所有转录本信息。双末端测序（Paired-end sequencing）种策略，在 RNA-Seq 中将 cDNA 打断为一定长度的小片这样就可以由一个片断获得距离已知的两条序列信息，这可以更好地区别不同的剪接方式[157,158]、鉴定由染色体重种方法相对于单端测序来说增加了物理覆盖度（Physical 了对数据分析的能力。，RNA-Seq 试验操作流程如图 1-1：（1）样品总 RNA 的（2）mRNA 的纯化；（3）mRNA 的片段化；（4）mRNA 片段及第二条 cDNA；（5）cDNA 末端修复、加 poly（A电泳分离及选择回收；（7）PCR 扩增及构建测序文库；（

日率,相对发芽率,PEG胁迫,大豆

elativeRailydelativeRailyd相对发日率芽elativeRailydedsnermigation（%）））相对发日率芽elativeRailydedsnermigation（%）时间Day（d）时间Day（d）时间Day（d）时间Day（d）10% PEG15% PEG20% PEG25% PEG

干旱胁迫,可溶性糖含量,植株叶片

程度的增加而逐渐增加，但在同一干旱条件显著差异（P＞0.05），说明在干旱胁迫下 M18自身对水分的吸收，从而提高苗期抗旱能力。的影响标之一，同时也反映植物在逆境胁迫下体内的干旱胁迫对大豆叶片 RWC 影响较大，随着片RWC逐渐降低。统计分析表明，在5% PEG、正常供水条件相比较，M18 植株叶片 RWC 的%，且在 25%PEG 处理下两种材料的 RWC 达旱胁迫下 M18 植株叶片 RWC 的下降幅度较

【参考文献】