基于转录组与代谢组学研究增加CO2和升高温度对紫金牛生理和酚类合成途径的影响

摘要

气候变化严重威胁着农业生产的可持续发展，目前它已成为一个至关重要的研究热点。然而，有关升高温度和增加CO2浓度对药用植物的生长、初生和次生代谢影响的研究国内外鲜有报道。本研究在温度（23/18℃和28/23℃）和CO2浓度((380±50)μmol mol-1和(760±50)μmol mol-1)处理条件下培养紫金牛（Ardisia japonica）植株90天。本研究通过传统的生理学研究手段，系统分析了增加CO2浓度和升高温度对光合作用、抗氧化活性物质、抗氧化能力及紫金牛新生成熟叶片中碳氮物质的影响。植物体内的代谢与调控是一个网络关系，植物体响应环境因子变化的调节过程不仅作用于单条代谢途径，也会影响整个代谢网络的平衡。因此，高通量的组学研究技术可以更系统的观察植物生理变化过程，具有发现新基因的更强潜质。本研究采用基于高分辨质谱的UPLC-Q-TOF/MS和RNA-seq等分析技术，结合Interactive Principal Component Analysis(iPCA)、ANOVA-SimultaneousComponent Analysis(ASCA)等化学计量学分析方法，从分子水平探究气候变化对碳代谢和次生代谢途径的影响。本研究工作的开展为研究气候变化对药用植物代谢生理影响提供了全新的认识且具有一定的推动作用。研究结果表明:
　　生长在高浓度CO2(780μmol mol-1)栽培条件下的紫金牛植株，新生成熟叶片净光合速率会增加，气孔导度会出现适应性降低。温度的升高会使叶片的光合速率下降，而对叶片中的Rubisco活性影响不明显。同时升高温度和CO2浓度会增加叶片的Rubisco活性。提高CO2浓度能够有效提高Rubisco的羧化能力，抑制光呼吸的发生，提高植物的净光合速率。升高环境温度后，发现新生二轮叶片中Rubisco酶活性受到抑制，导致Rubisco的羧化能力减低。本研究中的新生叶片从发生到成熟经历的90天栽培处理过程中没有出现明显的光适应现象。
　　增加CO2浓度具有明显的碳增益效益，升高环境温度和增加CO2浓度对叶片中非结构性碳的积累具有积极的促进作用。植物有效地获得更多的非结构性碳，为下游次生代谢产物的合成提供更多的碳骨架，使叶片中黄酮含量积累增加。同时本研究利用代谢组学和RNA-seq技术，获得了对温度、CO2浓度及其交互作用显著响应的基因和代谢产物。温度和CO2能显著影响碳同化过程和黄酮类生物合成途径中的基因表达，进而会改变植物叶片中非结构性碳的含量。CO2浓度的增加使能量代谢和碳代谢加强，进而光合作用固定更多的碳为下游黄酮类等次生代谢物的生物合成提供更充足碳骨架。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．气候变化对植物生理的影响

1．1 植物生物量及作物产量

1．2 植物光合作用和呼吸作用

2．气候变化对次生代谢途径的影响

3．C／N平衡理论

4．药用植物紫金牛(Ardisia japonica)研究现状

5．组学在植物代谢研究的应用

6．研究目的、意义以及研究内容

第二章 增加CO2和升高温度对光合生理的影响

2．1 材料与方法

2．2 结果与分析

2．3 讨论

第三章 代谢组学揭示CO2和温度升高对酚类代谢产物的影响

3．1 材料与方法

3．2 结果与分析

3．1 讨论

第四章 转录组学揭示CO2和温度升高对酚类合成途径的影响

4．1 材料与方法

4．2 结果与分析

4．3 讨论

第五章 全文总结

参考文献

附录

致谢

硕士研究生期间发表文章