【摘要】：低溫是北方和高寒地區(qū)植物生產(chǎn)的主要限制因素之一,也是影響植物分布的關鍵因子。據(jù)統(tǒng)計,全球每年因低溫冷害造成的作物生產(chǎn)損失高達數(shù)千億元。因而研究植物低溫適應機理,提高其低溫適應能力具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。廣布于高寒缺氧極端生境條件下的西藏野生垂穗披堿草(Elymus nutans Griseb.),是研究低溫適應較理想的優(yōu)質(zhì)牧草;亦是麥類作物的野生近緣種,擁有麥類作物所缺乏的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗蟲、抗旱、抗寒、耐鹽堿等優(yōu)良基因,具有重要的農(nóng)藝學價值。本研究主要以采集于西藏當雄縣的野生垂穗披堿草(Damxung,DX)為研究對象,以甘南垂穗披堿草品種(E.nutans cv.Gannan,GN)為對照材料,采用各種生理生化實驗手段、質(zhì)譜(LS-MS/MS)及RNA-Seq高通量測序的方法,系統(tǒng)地探究當雄野生垂穗披堿草在4℃低溫脅迫下光合生理、抗氧化防御、內(nèi)源激素水平,碳水化合物代謝和基因表達的響應,揭示當雄野生垂穗披堿草低溫適應的生理及分子機制,為今后更好地利用野生垂穗披堿草中的抗性基因?qū)Φ蜏孛舾心敛菁稗r(nóng)作物進行遺傳改良奠定了基礎。主要研究結果如下:(1)通過對參試的8份野生垂穗披堿草在低溫脅迫條件下相對電導率、葉綠素含量及Fv/Fm分析,結果表明,高海拔的BQ,XZ和DX在低溫脅迫下細胞膜系統(tǒng)和PSII受損傷程度較輕,表現(xiàn)出較強的低溫適應性,而低海拔的DZ,NML和MZG呈現(xiàn)較弱的低溫耐受性。低溫脅迫下積累較高的可溶性糖,尤其是蔗糖和棉籽糖可能有利于提高高海拔野生垂穗披堿草的低溫適應能力。另外,內(nèi)源植物激素信號和CBFs基因交互作用激活COR14a的表達,有助于維持細胞膜的穩(wěn)定性,同時對于調(diào)節(jié)低溫脅迫下細胞的防御響應起著重要的作用。(2)利用便攜式光合測定儀Li-6400及葉綠素熒光儀PAM-2100,測定了低溫脅迫及恢復處理對DX和GN光合氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù),結合直角雙曲線修正模型,結果表明,低溫脅迫和恢復處理的DX葉片維持較高的Pn和Pmax,主要是由于較低的氣孔擴散限制及迅速地代謝限制恢復能力。而且脅迫及恢復處理下更高的光合酶活性和碳水化合物的積累也有利于DX葉片維持較高的Pn�；謴吞幚砗驞X葉片的Pn,gs,gm和Tr并未恢復到脅迫前的水平,說明低溫脅迫下氣孔因素是限制DX光合碳同化效率的主要原因。(3)外源褪黑素和ABA處理均能緩解低溫脅迫誘導的氧化損傷。外源褪黑素提高垂穗披堿草的低溫適應性可能與誘導內(nèi)源褪黑素產(chǎn)生有關,內(nèi)源褪黑素作為重要的次生信使進一步激活下游基因如EnCBF9,EnCBF14和EnCOR14a的表達,從而提高抗氧化防御系統(tǒng)活性緩解ROS積累誘導的氧化損傷。進一步的研究顯示,低溫脅迫下褪黑素可能通過ABA依賴的信號途徑提高垂穗披堿草的抗氧化防御響應。(4)為深入探究垂穗披堿草低溫適應的分子機制,執(zhí)行了de novo轉錄組研究,構建了48個cDNA文庫,用Illumina HiSeq 4000平臺進行測序,總共得到317.64 Gb的數(shù)據(jù),總共鑒定了5600 DEGs。通過HCL聚類和venn分析,發(fā)現(xiàn)DX和GN的葉片和根莖在響應低溫脅迫時表現(xiàn)出各自特異地應答機制。(5)通過對低溫脅迫響應基因進行GO和KEGG富集分析,發(fā)現(xiàn)低溫脅迫誘導DX產(chǎn)生許多特異的信號轉導和細胞代謝防御響應,其中,JA/BR調(diào)節(jié)的信號途徑在脅迫初期發(fā)揮重要作用;另外,果聚糖合成、α-亞麻酸代謝及苯丙烷合成途徑在DX低溫適應中起著積極的作用。(6)通過共表達分析,得到26個hub genes,包括22個DX和4個GN共表達的基因。其中,84.6%hub genes被注釋為COR(如:COR413PM1,COR410,DHN5等),揭示了這些CORs在調(diào)節(jié)當雄垂穗披堿草低溫應答響應中起著關鍵的調(diào)節(jié)作用。綜上研究,本論文首次利用RNA-Seq結合生理研究來探討西藏野生垂穗披堿草低溫適應的生理及分子機理,為今后更好地利用野生垂穗披堿草中的抗性基因?qū)涿舾心敛菁稗r(nóng)作物進行遺傳改良奠定了基礎。
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圖片說明： F 轉錄因子調(diào)節(jié)途徑是目前研究較為深入的低溫信號轉導，低溫脅迫誘導 CBF 基因迅速表達。CBF/DREBs 能夠結合域，從而激活其表達（Maruyama et al. 2012）。CBF 信號途錄調(diào)節(jié)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成、ROS 解毒、細胞膜轉運、2005; Maruyama et al. 2004）。擬南芥中有 3 個 CBFs 基1c 和 CBF3/DREB1a。過表達 CBFs 基因能夠提高擬南芥的 CBF3 導致其對低溫較為敏感（Novillo et al. 2007）。與之顯示抗凍表型（Novillo et al. 2004）�；虮磉_分析表明，，在F1 和 CBF3 的表達（Novillo et al. 2004）。CBF 信號轉導途BF 同系物在耐低溫能力較強的植物如小麥、大麥和歐洲油敏感的水稻、玉米、番茄和櫻桃等植物中已經(jīng)被成功克�。辖嬷� CBFs 基因轉到其他植物中也能夠增強低溫耐受性s 基因過表達到擬南芥中也能提高其抗凍性（Chinnhinozaki and Shinozaki 2006）。
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圖片說明： 圖 1-2 植物 CBF 冷信號轉導途徑 (Shi et al. 2015)Fig. 1-2 Regulation of the CBF signaling pathway during cold stress.5 CBF 不依賴的信號途徑轉錄組分析顯示僅有 12%的低溫脅迫響應基因是受 CBFs 調(diào)控表達的（ashow 2002）。因此，CBF 獨立的信號途徑在低溫信號應答中起著至關重，在大豆中，低溫脅迫誘導的 C2H2 型鋅指蛋白 SCOF1 可能通過增加 b G-Box 結合因子 1 的 DNA 結合活性來誘導下游 CORs 的表達（Kim et 芥 esk1 突變體通過積累高水平的脯氨酸來提高抗凍性，是一種 CBF 不依方式（Xin and Browse 1998）。在轉基因 MYB4 水稻中，CORs 表達上調(diào)加，表現(xiàn)出抗凍表型（Vannini et al. 2004）。低溫脅迫下，Hos9（同源結構突變體中 CBF 的誘導表達與野生型相同，但卻表現(xiàn)出凍敏感表型。微陣OS9 的調(diào)控子與 CBFs 不同（Zhu et al. 2004）。相似地，盡管 hos10-1 突變下增加 CORs 的表達，但也對凍敏感。進一步研究發(fā)現(xiàn)，HOS10 可能D3 的表達，表明 HOS10 可能通過調(diào)控 ABA 調(diào)節(jié)的信號途徑來應答低溫u et al. 2005）。ABA 依賴的信號途徑是目前研究較多的 CBF 不依賴的信
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S543.9


本文編號：2513585