干旱胁迫下舟山新木姜子(Neolitsea sericea)幼苗叶片的生理响应及转录组分析

摘要

舟山新木姜子(Neolitsea sericea)系属樟科，属于国家二级保护植物，最常见于舟山，是主要的行道树种之一。为了研究舟山新木姜子的抗旱机理，开展舟山新木姜子在不同干旱胁迫程度下的光合特性、保护酶活性、渗透调节物质含量等生理指标随时间的动态变化的研究，利用焦磷酸测序对重度急性干旱胁迫下的舟山新木姜子转录组进行测序，对序列进行功能注释、通路富集及差异表达分析。主要研究及结果如下:　　以1年生舟山新木姜子幼苗为材料，采用盆栽控水模拟干旱胁迫，研究苗木叶片在土壤水分含量分别为田间持水量的55～60％（轻度干旱胁迫）、40～45％（中度干旱胁迫）、30～35％（重度干旱胁迫）和75～80％（对照/复水）下的光合特性、保护酶活性、渗透调节含量等随时间的动态变化。结果表明:重度干旱使植株生长速度减慢，叶片卷曲严重。中、重度干旱使叶片的总叶绿素含量、蒸腾速率、净光合速率及气孔导度明显减少，重度干旱使叶片胞间CO2浓度呈现先减少后升高的趋势。叶片受到气孔限制因素的影响导致叶片净光合速率下降是在重度干旱胁迫中期以及中度干旱胁迫期间，而受到非气孔限制因素的影响是在重度干旱胁迫后期。复水10天后蒸腾速率仍处于较低水平，叶片的气孔调节功能有所丧失。干旱胁迫虽然总体提升了叶片水分利用效率，但重度干旱下叶片的水分利用效率从胁迫中期开始有明显的下降趋势。中度及重度干旱使舟山新木姜子叶片的丙二醛含量、超氧化物歧化酶及过氧化物酶活性呈现出先升后降的走势，说明叶片中丙二醛的生成与消除达到一个相对静止状态。干旱胁迫使叶片细胞膜透性显著增加，通过提高合成脯氨酸和可溶性糖缓解渗透压，叶片细胞膜的透性在干旱胁迫中后期逐渐降低。但重度干旱胁迫下的叶片细胞膜透性在复水10天后仍维持较高程度，细胞膜受到一定损伤。综上所述，干旱胁迫下舟山新木姜子能快速调节叶片气孔、清除活性氧和渗透调节，降低蒸腾速率、丙二醛、细胞膜透性，提高水分的利用率等途径减少损伤。但是持久、严重的干旱使生长受限，叶片受损。　　为了深入研究舟山新木姜子幼苗适应干旱胁迫的机制，本研究继续通过焦磷酸测序法对受干旱胁迫的植株叶片进行转录组分析。结果每组样品共发现超过17，768，244个reads，总样品超过4，400百万个碱基对。组装后，共得到129，239个平均长816bp的unigene。其中，有51，137(39.6％)个unigene成功得到注释。注释的unigene中，又有11，192个被映射到118个通路中，其中最富集的通路为核糖体通路。在重度干旱胁迫后12h、24h、72h的植物体内，分别得到61、65和67个表达具有显著性差异的基因，经过Gene Ontology(GO)和MapMan功能富集分析，发现这些差异基因最富集的功能为蛋白质运输、转录调节和多酶家族。上述基因涉及到渗透调节、植物激素和调节干旱的转录因子等。另外，对舟山新木姜子的研究还发现，编码糖基转移酶和UDP-糖基转移酶的基因也许在其体内参与调节干旱响应;发现叶片中多种激素的基因对干旱胁迫均有响应，例如植物生长素、脱落酸、油菜素类固醇以及细胞分裂素;发现AtbHLH112、AtCOL4、AtZFP3、AtCIR1和AtCCA1转录因子家族可能参与其体内的干旱诱导ABA信号传导。这些研究阐述了干旱胁迫诱导舟山新木姜子在转录组层面的响应，帮助揭示植物适应干旱的分子机制。

目录

声明

摘要

引言

第一章 植物应答干旱胁迫的研究进展

1．1 形态学变化

1．2 光合响应与气孔调剂

1．3 渗透调节

1．3．1 脯氨酸(Proline)

1．3．3 可溶性糖(Soluble sugar)

1．3．4 水通道蛋白(Aquaporin)

1．3．5 水溶性蛋白(water-soluble protein)

1．4 活性氧清除系统

1．4．1 保护酶系统

1．4．2 抗坏血酸(AsA)-谷胱甘肽(GSH)系统

1．5 植物抗旱相关基因的研究进展

1．5．1 水分运输相关基因

1．5．2 LEA蛋白基因

1．5．3 渗透调节相关基因

1．5．4 气孔调节相关基因

1．5．5 转运体蛋白基因

1．5．6 细胞抗氧化相关基因

1．5．7 信号传导基因

1．5．8 转录因子基因

1．6 转录组学在植物应答干旱胁迫上的应用

1．6．1 转录组学技术

1．6．2 植物抗旱转录组学研究进展

1．7 本研究主要背景、内容、目的和意义

1．7．1 舟山新木姜子研究进展

1．7．2 研究内容和路线

1．7．3 研究目的和意义

第二章 舟山新木姜子对干旱胁迫的生理响应

2．1 材料与试剂

2．1．1 试验材料

2．1．2 仪器与试剂

2．2 试验方法

2．2．1 材料处理

2．2．2 光合作用参数的测定

2．2．3 保护酶活性的测定

2．2．4 渗透调节物质、丙二醛的测定

2．2．5 细胞膜透性的测定

2．3 结果与分析

2．3．1 干旱胁迫下舟山新木姜子幼苗叶片的形态影响

2．3．1 干旱胁迫下舟山新木姜子幼苗叶片的光合响应

2．3．2 干旱胁迫对舟山新木姜子幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

2．3．3 干旱对新木姜子幼苗叶片渗透调节物质的影响

2．3．4 干旱对新木姜子幼苗叶片丙二醛含量及细胞膜透性的影响

2．4 讨论

3．1．1 试验材料

3．1．2 仪器与试剂

3．2 试验方法

3．2．1 生长与水分胁迫处理

3．2．2 TRlzol法提取总RNA

3．2．3 反转录

3．2．4 qRT-PCR验证

3．2．5 cDNA测序及序列片段的处理与组装

3．3．1 总RNA提取结果

3．3．2 测序和组装

3．3．3 功能注释

3．3．4 差异基因(DEGs)分析

3．3．5 差异基因富集分析

3．3．6 与抗旱相关DEGs的功能鉴定

3．4 讨论

3．4．1 渗透调节

3．4．2 植物激素

3．4．3 转录因子

结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果