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甜菜响应盐胁迫的适应性机制和外源尿囊素的调控作用研究

【摘要】:盐胁迫严重影响作物生长,是限制作物产量的主要非生物胁迫之一,关于作物响应盐胁迫的适应性机制以及提高耐盐性的研究已被广泛关注。甜菜是世界上重要的糖料作物,对盐胁迫的耐受性极强。为探索甜菜对盐胁迫的适应机制,本研究通过转录组和代谢组学分析,锁定盐胁迫下甜菜重要代谢途径的关键基因和代谢物,并探明关键代谢物对提高甜菜耐盐性的作用机制,为阐明甜菜对盐胁迫的适应性机理提供新见解,为外源尿囊素提高甜菜耐盐性提供了理论依据,对盐碱地的开发利用,推动甜菜产业的可持续发展具有重要意义。本研究进行了水培和土培(2017-2019年)盐胁迫试验。首先采用水培方式对甜菜在盐胁迫(300 m M Na~+,由摩尔比为2:1的Na Cl和Na_2SO_4组成)下1天和7天时进行转录组和代谢组学分析,探索其对盐胁迫的响应机制,锁定可能的关键调节物质—尿囊素。随后研究不同浓度外源尿囊素(0、0.01、0.1和1 m M)对盐胁迫下甜菜幼苗生长、光合作用、抗氧化保护系统、离子平衡、渗透调节系统和氮代谢的调节,明确其在提高甜菜耐盐性中的调节作用。最后,在土培条件下,确定不同浓度外源尿囊素(0、0.1、1、10和100 m M)对盐胁迫下甜菜产量的影响,验证外源尿囊素提高产量的可行性。主要结果如下:(1)转录组学分析表明,与对照相比,在盐胁迫的第1天和第7天分别鉴定出1,279和903个差异表达基因(DEGs),上调基因的数量多于下调基因,第7天比第1天含有更多下调的DEGs。DEGs主要富集到KEGG数据库中的10条路径,大多数基因与碳代谢、苯丙氨酸和氨基酸的生物合成有关;也主要富集到22个GO注释中,主要包括羧酸代谢和氧化还原过程。(2)代谢组学分析总共鉴定出127种代谢物,包括24种氨基酸(AAs)、21种有机酸(OAs)、9种胺、9种碳水化合物、11种脂质、9种生物碱、7种核酸、4种维生素、2种辅因子、2种糖醇、2种激素和28种其它化合物。盐胁迫后甜菜蔗糖代谢和三羧酸循环增强,第1天和第7天分别有73和85种代谢产物受到显著影响,胁迫后第1天,蔗糖含量减少而OAs如L-苹果酸和α-酮戊二酸的含量增加。盐胁迫后第7天,氮代谢产物尿囊素、AAs、甜菜碱、和褪黑素大量增加。(3)转录组和代谢组学分析表明,甜菜基因响应盐胁迫具有时间特异性,在处理第7天尿囊素酶显著下调,导致尿囊素大量积累。相关分析表明,绝大多数基因与尿囊素和黄嘌呤呈显著相关(r0.8,P0.05)。在盐胁迫下甜菜根系进行碳氮代谢重新调整,盐胁迫后期主要进行氮代谢调整,其中嘌呤代谢途径中的黄嘌呤脱氢酶基因(XDH)、尿囊素酶基因(ALN)和尿囊素是甜菜响应盐胁迫的关键基因或代谢物。(4)外源尿囊素显著提高了幼苗的耐盐性,并提高了生物量和叶面积,光合作用能力,包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、光系统II的实际光化学量子效率(Y(II))和非光化学猝灭系数(Y(NPQ))。外源尿囊素还提高了1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Ru BPcase)活性。此外,外源尿囊素提高了谷氨酰胺合成酶(GS)、NADH-谷氨酸合成酶(NADH-GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性,促进了盐胁迫下甜菜幼苗的氮代谢。(5)外源尿囊素提高了盐胁迫下甜菜叶片和根系的抗氧化系统能力,增强了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性,提高了抗氧化物质还原型抗坏血酸(ASA)和类黄酮的含量,同时降低了活性氧(ROS)含量,包括丙二醛(MDA)含量和超氧阴离子(O_2·~-)产生速率。外源尿囊素对酶与非酶抗氧化系统能力的增强是提高甜菜幼苗耐盐性的有效机制。(6)外源尿囊素有助于甜菜幼苗的离子稳态和渗透调节作用。盐胁迫增加了甜菜中Na~+含量,降低了K~+、Ca~(2+)和Mg~(2+)含量,而外源尿囊素提高了盐胁迫下叶片和根系的K~+/Na~+、Ca~(2+)/Na~+和Mg~(2+)/Na~+。同时,外源尿囊素提高了盐胁迫下甜菜叶片和根系的渗透调节能力,显著增加了甜菜碱和可溶性糖(蔗糖和还原糖)的积累。外源尿囊素增强了盐胁迫下甜菜幼苗的碳代谢,提高了盐胁迫下甜菜叶片草酸、苹果酸和琥珀酸含量,降低了乳酸含量,提高了根系草酸和乳酸含量,降低了苹果酸和琥珀酸含量。(7)外源尿囊素提高了甜菜内源尿囊素和尿囊酸的含量。盐胁迫减少了叶片的腐胺(Put)含量,增加了叶片和根系的精胺(Spm)含量,但降低了S-腺苷蛋氨酸脱羧酶(SAMDC)和二胺氧化酶(DAO)活性。外源尿囊素处理促使甜菜幼苗叶片和根系的精氨酸脱羧酶(ADC)、DAO、SAMDC和多胺氧化酶(PAO)活性升高。外源尿囊素提高了盐胁迫下叶片和根系的Put和Spm含量。此外,外源尿囊素降低了甜菜叶片脱落酸(ABA)含量,对甜菜根系ABA含量的影响不显著。(8)主成分分析(PCA)表明,不同外源尿囊素浓度对盐胁迫下甜菜幼苗的生长有不同的影响。在第一主成分(PC1)中,尿囊素表现出较高的正负载,O_2·~-表现出较高的负负载。在第二主成分(PC2)中,尿囊素表现出负负载。相关分析表明,甜菜全株干重与多胺代谢、抗氧化系统、渗透调节及氮代谢相关指标多呈显著正相关关系。(9)盐胁迫降低了甜菜块根重量和含糖量,提高了含糖率。然而,0.1 m M外源尿囊素预处理在盐胁迫下显著提高了甜菜块根重量和含糖量。因此,嘌呤代谢是甜菜响应盐胁迫的重要途径,外源尿囊素通过增强多胺代谢和抗氧化保护提高了甜菜的耐盐性。

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