發(fā)布時(shí)間：2020-11-01 17:14

　　 干旱是制約生態(tài)環(huán)境建設(shè)、植物分布和生產(chǎn)力的世界性問題。全球干旱、半干旱地區(qū)約占陸地面積的35%,且有逐年增加的趨勢(shì)。干旱脅迫所導(dǎo)致的作物減產(chǎn),超過其他環(huán)境因子脅迫所造成減產(chǎn)的總和。研究植物響應(yīng)干旱脅迫的形態(tài)、生理生化和分子機(jī)制,發(fā)掘參與植物干旱脅迫響應(yīng)的調(diào)控/功能基因并明確其作用機(jī)理,將為提高植物抗旱性、選育抗旱優(yōu)良品種、發(fā)展抗旱高產(chǎn)農(nóng)業(yè)提供理論指導(dǎo)。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上廣泛分布且享有盛譽(yù)的優(yōu)良豆科牧草,在改善生態(tài)環(huán)境、水土保持方面具有天然優(yōu)勢(shì)。然而,日益加劇的干旱對(duì)紫花苜蓿的種植面積和產(chǎn)量構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,干旱地區(qū)的旱作苜蓿產(chǎn)量只有通過抗旱苜蓿品種的培育和應(yīng)用才能達(dá)到增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。通過比較抗旱性差異顯著的紫花苜蓿品種對(duì)干旱脅迫的形態(tài)、生理及分子響應(yīng)差異,將有助于揭示紫花苜蓿適應(yīng)干旱的關(guān)鍵機(jī)制,從而為深入研究紫花苜蓿的抗旱機(jī)制提供理論依據(jù)�；�于此,本研究以強(qiáng)抗旱隴中苜蓿(Medicago sativa L.cv.Longzhong)為供試材料,以中抗旱隴東苜蓿(Medicago sativa L.cv.Longdong)和弱抗旱甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿(Medicago sativa L.cv.Gannong No.3)為對(duì)照材料,采用PEG模擬干旱脅迫,首先比較了不同脅迫水勢(shì)和脅迫時(shí)間處理下,不同抗旱性苜蓿品種幼苗葉片和根系對(duì)干旱脅迫的形態(tài)及生理響應(yīng)差異;隨后從轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)水平上對(duì)比分析了強(qiáng)抗旱隴中苜蓿和弱抗旱甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿幼苗根系響應(yīng)干旱脅迫的分子機(jī)制,鑒定出參與響應(yīng)干旱脅迫的關(guān)鍵候選基因、蛋白及代謝物;最后從形態(tài)、生理生化及分子水平上對(duì)比分析了強(qiáng)抗旱隴中苜蓿的關(guān)鍵抗旱機(jī)制。主要結(jié)果如下:(1)-1.2 MPa PEG-6000模擬干旱脅迫9 d是區(qū)分干旱脅迫下供試苜蓿幼苗生長(zhǎng)及生理響應(yīng)差異的敏感處理?xiàng)l件。根系是紫花苜蓿幼苗抗旱的關(guān)鍵部位。紫花苜蓿的抗旱能力與較強(qiáng)的抗氧化防御能力和較低的脂質(zhì)過氧化程度密切相關(guān),抗壞血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)是提高紫花苜�？购的芰Φ闹匾獧C(jī)制。長(zhǎng)期干旱脅迫下,隴中苜蓿表現(xiàn)出最高的葉片保水能力、光合能力和滲透調(diào)節(jié)能力,最低的脂質(zhì)過氧化和最高的抗氧化酶(GPX、MDAR、DHAR和GR)活性及最高的抗氧化酶基因(MsGPX、MsMDAR、MsDHAR和MsGR)的表達(dá)水平,這些酶及其基因主要參與AsA-GSH循環(huán),以維持細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生和清除之間的平衡。甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿表現(xiàn)出最高的脂質(zhì)過氧化和最低的抗氧化酶活性及基因表達(dá)。隴東苜蓿具有中等的維持光合作用的性能及非酶促和酶促ROS清除系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力。(2)-1.2 MPa PEG-6000模擬干旱脅迫9 d后,通過不同抗旱性紫花苜蓿品種根系的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-Seq)分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿根系分別鑒定出12,585個(gè)差異表達(dá)基因(DEGs)(6,605個(gè)上調(diào),5,980個(gè)下調(diào))和14,724個(gè)DEGs(8,049個(gè)上調(diào),6,675個(gè)下調(diào)),兩者共同具有8,336個(gè)DEGs(4,013個(gè)上調(diào),4,323個(gè)下調(diào))。這些基因主要參與碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝和次級(jí)代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞防御和胞內(nèi)運(yùn)輸、轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控及其他未知途徑。與甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿相比,干旱脅迫促進(jìn)了隴中苜蓿根系結(jié)構(gòu)性碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝(角質(zhì),小檗堿和蠟生物合成及油脂合成途徑)、氨基酸代謝、次級(jí)代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(Ca~(2+)信號(hào)傳導(dǎo)、乙烯和茉莉酸生物合成)、細(xì)胞防御(微管蛋白和過氧化物酶體)及氨酰基-tRNA生物合成相關(guān)的基因表達(dá)。相比之下,甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿根系參與轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控的基因表達(dá)及轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)均易受干旱脅迫的影響。(3)-1.2 MPa PEG-6000模擬干旱脅迫9 d后,通過不同抗旱性紫花苜蓿品種根系的蛋白質(zhì)組學(xué)分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿根系分別鑒定出71種差異積累蛋白(DAPs)(47種上調(diào),24種下調(diào))和90種DAPs(41種上調(diào),49種下調(diào)),兩者共同具有19種DAPs(13種上調(diào),6種下調(diào))。這些蛋白主要參與碳水化合物及能量代謝、脅迫及防御、蛋白代謝、細(xì)胞膜及運(yùn)輸、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞壁及細(xì)胞骨架代謝及其他未知功能。干旱脅迫顯著誘導(dǎo)了隴中苜蓿根系參與活性氧(ROS)解毒、次級(jí)代謝、蛋白質(zhì)加工、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及細(xì)胞壁和細(xì)胞骨架代謝的蛋白上調(diào)表達(dá);而顯著改變了甘農(nóng)3號(hào)根系信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白的表達(dá)。(4)-1.2 MPa PEG-6000模擬干旱脅迫9 d后,通過不同抗旱性紫花苜蓿品種根系的非靶向代謝組學(xué)分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿根系分別鑒定出59種差異表達(dá)代謝物(DEMs)(38種上調(diào),21種下調(diào))和66種DEMs(39種上調(diào),27種下調(diào)),兩者共同具有46種DEMs(30種上調(diào),16種下調(diào))。供試苜蓿通過改變氨基酸及其衍生物、脂質(zhì)(甘油酯和甘油磷脂)、次級(jí)代謝物(有機(jī)酸、異黃酮和黃酮)、核苷酸及其衍生物及其他代謝物含量來適應(yīng)干旱脅迫。干旱脅迫顯著降低了甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿根系的代謝物含量,而隴中苜蓿根系內(nèi)大部分與氨基酸代謝、苯丙烷類合成以及嘌呤和嘧啶代謝相關(guān)的代謝物含量顯著增加。(5)就形態(tài)及生理水平而言,隴中苜蓿幼苗的強(qiáng)抗旱能力與其體內(nèi)有效的生物量調(diào)配機(jī)制、較強(qiáng)的葉片保水能力、較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力、較低的膜脂過氧化和ROS積累水平、較強(qiáng)的酶促及非酶促抗氧化系統(tǒng)的防御能力有關(guān);就分子水平而言,干旱脅迫下,隴中苜蓿能夠顯著誘導(dǎo)根系參與碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝和苯丙烷類生物合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞防御以及氨�；�-tRNA生物合成相關(guān)的基因表達(dá);激活與脅迫防御和解毒以及跨膜運(yùn)輸相關(guān)蛋白的表達(dá),有效維持蛋白加工和降解的平衡,同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞壁調(diào)節(jié)能力;有效地促進(jìn)關(guān)鍵代謝物的合成代謝途徑,提高滲透調(diào)節(jié)能力、ROS解毒能力和細(xì)胞膜穩(wěn)定性,最終增強(qiáng)其抗旱能力。此外,異黃酮生物合成途徑是隴中苜蓿適應(yīng)干旱脅迫的關(guān)鍵代謝途徑。本研究初步探明了強(qiáng)抗旱能力苜蓿品種抗旱的形態(tài)、生理及分子適應(yīng)機(jī)制,鑒定了強(qiáng)抗旱能力苜蓿品種響應(yīng)干旱脅迫的關(guān)鍵代謝通路及關(guān)鍵脅迫響應(yīng)基因、蛋白和代謝物,有關(guān)以上候選基因、蛋白和代謝物在提高苜�？购敌缘淖饔脵C(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
【學(xué)位單位】：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S541.9
【部分圖文】：

圖 1-1 干旱脅迫抑制植物生長(zhǎng)的主要s of growth reduction in plants under dro迫的適應(yīng)性會(huì)通過改變?nèi)~片的形態(tài)結(jié)構(gòu)減少植物細(xì)胞膨壓降低，植物葉片下片方向來適應(yīng)干旱，即通過旋轉(zhuǎn)光照射方向保持平行來攔截太陽太陽輻射，降低葉片溫度，防止有一些旱生植物結(jié)構(gòu)如葉片小而、柵欄組織較厚、較高的柵欄組皮毛能夠減少?gòu)?qiáng)光環(huán)境下植物的累有助于形成蠟質(zhì)并增強(qiáng)光的反溫度對(duì)其造成的傷害[16]。較厚的

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 屆博士學(xué)位論文在脅迫后不斷積累，同時(shí)在 JA 瞬時(shí)積累之后開始快速增加，說明干旱脅迫下，JA 可能參與 ABA 的生物合成，并誘導(dǎo)植物后期的脅迫響應(yīng)[46]。2.3 植物對(duì)干旱脅迫的分子響應(yīng)機(jī)制干旱脅迫下，植物細(xì)胞通過各種信號(hào)傳感器感知并接收脅迫信號(hào)，將胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信號(hào)，脅迫信號(hào)通過不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路傳遞，其中植物激素、第二信使、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)器和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)器等在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起著重要作用。脅迫誘導(dǎo)基因受多種脅迫信號(hào)調(diào)節(jié)，脅迫基因按功能分為兩類：一類基因是編碼直接參與脅迫耐受的功能蛋白；另一類基因是編碼間接作用的調(diào)控蛋白，例如信號(hào)傳感器，可形成正負(fù)反饋環(huán)來調(diào)節(jié)脅迫反應(yīng)（圖 1-2）。這兩類基因通過復(fù)雜而有序的方式共同參與植物干旱脅迫響應(yīng)，以保證缺水環(huán)境下植物體內(nèi)正常的生長(zhǎng)發(fā)育[47,48]。干旱脅迫 Drought stress

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 屆博士學(xué)位論文差異及其相互作用，表型組學(xué)側(cè)重研究各種不同環(huán)境條件下不同基因型的表變化（圖 1-3）[95]。系統(tǒng)地闡明作物抗逆基因（蛋白）的功能及作用機(jī)理有于提高作物對(duì)逆境脅迫的耐受性，加快作物抗逆育種進(jìn)程。功能基因組學(xué)研因其在揭示植物響應(yīng)逆境脅迫的復(fù)雜機(jī)制的突出優(yōu)勢(shì)越來越受到研究人員的視[96]。DNA 序列 DNA sequences

本文編號(hào)：2865843