基于转录组学和代谢组学分析小麦冷反应特征

摘要

低温是影响小麦生长发育及产量的非生物胁迫之一，因此从分子生物学角度揭示小麦耐低温遗传机制十分必要。本研究选用京411为材料，利用RNA-seq和广泛靶向代谢组技术，研究京411小麦幼苗经过4℃低温驯化处理28天和-5℃冷冻处理24h后，茎基部基因表达谱和代谢谱变化。主要研究结果如下:
　　1.利用广泛靶向代谢组学技术，研究京411小麦幼苗茎基部经过4℃低温驯化28天和-5℃冷冻处理24h后代谢谱变化。结果显示:经过4℃低温驯化处理28天幼苗(LTA)与20℃正常培养28天幼苗(NTG)相比，共有86个代谢物上调、137个下调。差异代谢物主要包括糖类、黄酮类、有机酸和植物激素等，其中多种糖类发生明显变化，如:棉子糖、海藻糖、果糖和甘露糖等，且棉子糖增加129.44倍;共筛选出25种氨基酸类差异代谢物，其中脯氨酸增加11.81倍。差异代谢物主要参与“精氨酸和脯氨酸代谢”、“半乳糖代谢”和“植物次级代谢物合成”等代谢通路;对LTA和NTG幼苗分别进行-5℃冷冻处理24h后，找到8个共有差异代谢物，包括脱落酸和茉莉酸-异亮氨酸等。并发现外源喷洒ABA能够提高小麦幼苗抗寒性，但抗寒性不同的品种间最适浓度不同。
　　2.利用RNA-seq技术，研究京411小麦幼苗茎基部受到4℃低温驯化28天和-5℃冷冻处理24h后基因表达谱变化，结果显示:冷驯化处理28天后，小麦幼苗茎基部在转录水平上有29066个基因表达量发生变化，其中|log2FoldChange|＞7的差异基因有108。差异基因主要参与合成冷相关蛋白、叶绿素a/b结合蛋白、信号转导蛋白和转录因子等;在LTA vs LTAF和NTG vs NTGF两组差异基因比较中，发现多个与转录因子、钙信号转导和冷诱导蛋白相关的共有差异基因。差异基因主要参与代谢通路、植物激素信号转导、淀粉和糖代谢和次级代谢物合成等代谢途径。
　　3.转录组与代谢组联合分析解析小麦冷胁迫反应特征。对经过4℃低温驯化28天后小麦幼苗(LTA)与正常培养28天(NTG)进行差异代谢物和差异基因联合分析，发现在多条代谢通路中差异基因变化趋势和下游代谢物含量变化趋势基本一致。其中在“精氨酸与脯氨酸”通路中，脯氨酸含量发生明显增加，P5CR和P5CS基因表达量增加，且ProDH表达量降低，说明脯氨酸在冷胁迫响应中发挥重要作用。
　　综上所述，本研究共检测到多种响应低温的差异代谢物和差异基因，显著富集脯氨酸合成、糖类合成、脱落酸信号通路和茉莉酸信号通路中，为阐述小麦抗寒分子机制提供了理论基础。

目录

声明

摘要

本文所用缩略词及中文对照

1引言

1．1植物抗寒性生理生化研究进展

1．1．1植物抗寒性与光合作用

1．1．2植物抗寒性与糖类

1．1．3植物抗寒性与氨基酸

1．1．4植物抗寒性与植物激素

1．1．5植物抗寒性与基因

1．2转录组研究进展

1．3代谢组研究进展

1．4本研究目的意义与技术路线

1．4．1研究目的和意义

1．4．2技术路线

2．1供试材料

2．2试验设计

2．2．1组学试验设计

2．2．2外源脱落酸喷洒试验设计

2．3试验方法

2．3．1表型数据测定

2．3．2生理生化指标测定

2．3．3已知抗寒基因表达量测定

2．3．4代谢物提取

2．3．5质谱和色谱条件

2．3．6代谢物定性和定量

2．3．7差异代谢物筛选

2．3．8转录组文库构建

2．3．9荧光定量PCR验证

2．4数据分析

2．4．1表型数据分析

2．4．2代谢组数据分析

2．4．3转录组数据分析

2．4．4代谢组数据和转录组数据联合分析

3结果与分析

3．1生理生化指标、抗寒基因表达量及表型分析

3．2代谢组分析

3．2．1冷驯化处理对幼苗茎基部代谢谱影响

3．2．2冷冻处理对幼苗茎基部代谢谱影响

3．2．3外源ABA对小麦幼苗抗寒性的影响

3．3转录组分析

3．3．1冷驯化处理对幼苗茎基部转录谱影响

3．3．2冷冻处理对幼苗茎基部转录谱影响

3．3．3差异基因qRT-PCR和RNA-seq的表达量分析

3．4转录组和代谢组联合分析

3．4．1糖类合成相关通路分析

3．4．2脯氨酸合成相关通路分析

3．4．3脱落酸信号通路分析

3．4．4脱落酸信号通路分析

4．1组学技术联合分析

4．2脯氨酸合成通路对低温响应

4．3脱落酸信号通路对低温响应

4．4茉莉酸信号通路对低温响应

4．5碳水化合物对低温响应

4．6植物幼苗对低温响应机制

5结论

参考文献

附表

作者简历

致谢