發(fā)布時間：2020-11-01 17:14

　　 干旱是制約生態(tài)環(huán)境建設、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。干旱脅迫所導致的作物減產(chǎn),超過其他環(huán)境因子脅迫所造成減產(chǎn)的總和。研究植物響應干旱脅迫的形態(tài)、生理生化和分子機制,發(fā)掘參與植物干旱脅迫響應的調(diào)控/功能基因并明確其作用機理,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。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界上廣泛分布且享有盛譽的優(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。然而,日益加劇的干旱對紫花苜蓿的種植面積和產(chǎn)量構成了嚴重威脅,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用才能達到增產(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干旱脅迫的形態(tài)、生理及分子響應差異,將有助于揭示紫花苜蓿適應干旱的關鍵機制,從而為深入研究紫花苜蓿的抗旱機制提供理論依據(jù)�；�于此,本研究以強抗旱隴中苜蓿(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號紫花苜蓿(Medicago sativa L.cv.Gannong No.3)為對照材料,采用PEG模擬干旱脅迫,首先比較了不同脅迫水勢和脅迫時間處理下,不同抗旱性苜蓿品種幼苗葉片和根系對干旱脅迫的形態(tài)及生理響應差異;隨后從轉錄組學、蛋白質(zhì)組學與代謝組學水平上對比分析了強抗旱隴中苜蓿和弱抗旱甘農(nóng)3號紫花苜蓿幼苗根系響應干旱脅迫的分子機制,鑒定出參與響應干旱脅迫的關鍵候選基因、蛋白及代謝物;最后從形態(tài)、生理生化及分子水平上對比分析了強抗旱隴中苜蓿的關鍵抗旱機制。主要結果如下:(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及生理響應差異的敏感處理條件。根系是紫花苜蓿幼苗抗旱的關鍵部位。紫花苜蓿的抗旱能力與較強的抗氧化防御能力和較低的脂質(zhì)過氧化程度密切相關,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制。長期干旱脅迫下,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)的表達水平,這些酶及其基因主要參與AsA-GSH循環(huán),以維持細胞內(nèi)ROS產(chǎn)生和清除之間的平衡。甘農(nóng)3號紫花苜蓿表現(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。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錄組測序(RNA-Seq)分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號紫花苜蓿根系分別鑒定出12,585個差異表達基因(DEGs)(6,605個上調(diào),5,980個下調(diào))和14,724個DEGs(8,049個上調(diào),6,675個下調(diào)),兩者共同具有8,336個DEGs(4,013個上調(diào),4,323個下調(diào))。這些基因主要參與碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝和次級代謝、信號轉導、細胞防御和胞內(nèi)運輸、轉錄和翻譯調(diào)控及其他未知途徑。與甘農(nóng)3號紫花苜蓿相比,干旱脅迫促進了隴中苜蓿根系結構性碳水化合物代謝、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、次級代謝、信號轉導(Ca~(2+)信號傳導、乙烯和茉莉酸生物合成)、細胞防御(微管蛋白和過氧化物酶體)及氨�；�-tRNA生物合成相關的基因表達。相比之下,甘農(nóng)3號紫花苜蓿根系參與轉錄和翻譯調(diào)控的基因表達及轉錄因子的表達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)組學分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號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、細胞膜及運輸、信號轉導、轉錄、細胞壁及細胞骨架代謝及其他未知功能。干旱脅迫顯著誘導了隴中苜蓿根系參與活性氧(ROS)解毒、次級代謝、蛋白質(zhì)加工、跨膜轉運及細胞壁和細胞骨架代謝的蛋白上調(diào)表達;而顯著改變了甘農(nóng)3號根系信號轉導相關蛋白的表達。(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分析,在隴中苜蓿和甘農(nóng)3號紫花苜蓿根系分別鑒定出59種差異表達代謝物(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)、次級代謝物(有機酸、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干旱脅迫。干旱脅迫顯著降低了甘農(nóng)3號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,隴中苜蓿幼苗的強抗旱能力與其體內(nèi)有效的生物量調(diào)配機制、較強的葉片保水能力、較強的滲透調(diào)節(jié)能力、較低的膜脂過氧化和ROS積累水平、較強的酶促及非酶促抗氧化系統(tǒng)的防御能力有關;就分子水平而言,干旱脅迫下,隴中苜蓿能夠顯著誘導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、信號轉導、細胞防御以及氨酰基-tRNA生物合成相關的基因表達;激活與脅迫防御和解毒以及跨膜運輸相關蛋白的表達,有效維持蛋白加工和降解的平衡,同時增強細胞壁調(diào)節(jié)能力;有效地促進關鍵代謝物的合成代謝途徑,提高滲透調(diào)節(jié)能力、ROS解毒能力和細胞膜穩(wěn)定性,最終增強其抗旱能力。此外,異黃酮生物合成途徑是隴中苜蓿適應干旱脅迫的關鍵代謝途徑。本研究初步探明了強抗旱能力苜蓿品種抗旱的形態(tài)、生理及分子適應機制,鑒定了強抗旱能力苜蓿品種響應干旱脅迫的關鍵代謝通路及關鍵脅迫響應基因、蛋白和代謝物,有關以上候選基因、蛋白和代謝物在提高苜�？购敌缘淖饔脵C制還有待進一步研究。
【學位單位】：甘肅農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S541.9
【部分圖文】：

圖 1-1 干旱脅迫抑制植物生長的主要s of growth reduction in plants under dro迫的適應性會通過改變?nèi)~片的形態(tài)結構減少植物細胞膨壓降低，植物葉片下片方向來適應干旱，即通過旋轉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構如葉片小而、柵欄組織較厚、較高的柵欄組皮毛能夠減少強光環(huán)境下植物的累有助于形成蠟質(zhì)并增強光的反溫度對其造成的傷害[16]。較厚的

甘肅農(nóng)業(yè)大學 2019 屆博士學位論文在脅迫后不斷積累，同時在 JA 瞬時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，并誘導植物后期的脅迫響應[46]。2.3 植物對干旱脅迫的分子響應機制干旱脅迫下，植物細胞通過各種信號傳感器感知并接收脅迫信號，將胞外信號轉變?yōu)榘麅?nèi)信號，脅迫信號通過不同的信號轉導通路傳遞，其中植物激素、第二信使、信號轉導器和轉錄調(diào)節(jié)器等在信號轉導過程中起著重要作用。脅迫誘導基因受多種脅迫信號調(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，例如信號傳感器，可形成正負反饋環(huán)來調(diào)節(jié)脅迫反應（圖 1-2）。這兩類基因通過復雜而有序的方式共同參與植物干旱脅迫響應，以保證缺水環(huán)境下植物體內(nèi)正常的生長發(fā)育[47,48]。干旱脅迫 Drought stress

甘肅農(nóng)業(yè)大學 2019 屆博士學位論文差異及其相互作用，表型組學側重研究各種不同環(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）的功能及作用機理有于提高作物對逆境脅迫的耐受性，加快作物抗逆育種進程。功能基因組學研因其在揭示植物響應逆境脅迫的復雜機制的突出優(yōu)勢越來越受到研究人員的視[96]。DNA 序列 DNA sequences

本文編號：2865843