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南瓜砧木对嫁接西瓜品质影响的分子机理研究

【摘要】:西瓜(Citrullus lanatus L.)属于葫芦科,是一种重要的园艺作物,起源于非洲赤道地区和地中海沿岸。因其营养丰富,多汁味甜,深受消费者的喜爱。我国是西瓜生产大国,占全球产量的60%以上。西瓜种植效益较高,但受枯萎病的影响,不能在同一种植田块实现连年栽培。嫁接技术的应用有效地解决了西瓜连作障碍的难题。目前对于嫁接技术在西瓜上应用的研究主要集中在砧木品种的筛选、嫁接方法的摸索、抗病抗逆的生理生化研究等方面。对南瓜砧木影响嫁接西瓜品质的研究较少,在生理生化及分子机理方面的研究缺乏深入系统的分析,一定程度上制约了嫁接技术在西瓜生产上的应用。本研究分别以不进行嫁接的‘WM022’自根西瓜(NGW),‘WM022’西瓜作为嫁接砧木和接穗的自根嫁接西瓜(SGW),‘京欣砧四号’南瓜作为嫁接砧木、‘WM022’西瓜作为接穗的南瓜嫁接西瓜(PGW)为材料,研究南瓜砧木对嫁接西瓜雌花节位、坐果率、产量及果实性状如果实大小、果形、果皮厚度、果肉硬度等方面的影响;研究南瓜砧木对嫁接西瓜果实主要品质相关物质成分含量的影响,如干物质、可溶性糖、有机酸、番茄红素;并对调控嫁接西瓜果实的关键糖酸代谢酶进行了分析;此外,利用RNA测序(RNA-Seq)技术对自根嫁接西瓜(SGW)、南瓜嫁接西瓜(PGW)果实不同发育阶段的基因差异表达进行分析,并分析了南瓜砧木对嫁接西瓜番茄红素生物合成基因调控的影响。全文主要研究结果如下:1.南瓜砧木对嫁接西瓜果实性状的影响对自根西瓜(NGW)、自根嫁接西瓜(SGW)及南瓜嫁接西瓜(PGW)在果实发育时期的果实变化进行了研究。结果表明,在果形指数上,NGW、SGW、PGW之间各个时期差异不大,在成熟期时三者的果形指数均为1,表明‘京欣砧四号’南瓜没有明显改变嫁接西瓜‘WM022’的果实形状。在果实可溶性固形物含量方面,成熟时三者的中心可溶性固形物均为13%左右,边缘可溶性固形物均为9.8%,表明嫁接对果实的可溶性固形物含量无显著影响。在单果重方面,NGW、SGW、PGW四个时期差异不大,成熟期时三者约为5kg,南瓜砧木未显著降低嫁接西瓜的单果质量。在果肉硬度方面,除26DAP,其余时期PGW与NGW、SGW无显著差异,南瓜砧木对嫁接西瓜果实的硬度无显著影响。在坐果率和产量方面,三个组合相当,南瓜砧木对嫁接西瓜的坐果率和产量无显著影响。2.南瓜砧木对嫁接西瓜果实主要品质指标的影响在本研究中,对NGW、SGW、PGW果实果肉中与品质相关的物质,如干物质、可溶性糖、有机酸、番茄红素,在果实发育四个关键时期的动态变化进行了研究。结果表明,嫁接减少了西瓜果实果肉的干物质含量。在成熟期,PGW、SGW、NGW可溶性糖总量分别为86 mg·g-1FW-1、77 mg·g-1FW-1、70 mg·g-1FW-1,嫁接增加了西瓜果实的可溶性糖含量。且嫁接对可溶性糖的成分和含量也有一定的影响。SGW与PGW在果实发育过程中有机酸含量的变化表现出类似的规律,而NGW与它们不同。在果实成熟时,NGW总酸含量为12.5 mg·g-1FW-1,SGW和PGW总酸含量分别为13.4 mg·g-1FW-1,13.8mg·g-1FW-1,三者总酸含量相当,表明嫁接对有机酸含量无显著影响。在成熟期NGW、SGW、PGW番茄红素含量分别为35.2 mg·g-1FW-1、34.8 mg· g-1FW-1、24.4 mg·g-1FW-1,表明自根嫁接对西瓜果实番茄红素含量没有影响,但南瓜嫁接显著减少了西瓜果实的番茄红素含量。3.南瓜砧木对嫁接西瓜糖酸品质影响的相关酶学调控机制在本研究中,对NGW、SGW、PGW中影响糖酸代谢的关键酶在果实发育中的动态变化进行了研究。成熟时PGW的转化酶(Inv)活性比NGW低。PGW果实蔗糖合成酶活性变化与两对照不同,PGW为先下降后上升趋势,而NGW和SGW呈现下降-上升-下降的变化趋势。在成熟期34 DAP时,PGW蔗糖合成酶(SS)活性最大,为17.9 mg·h-1·g-1FW-1,其次为SGW15.5 mg·h-1·g-1FW-1,NGW活性最低,为8.3 mg· h-1·g-1FW-1。在蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性变化上,PGW和NGW的峰值在26DAP,分别为 169.8 mg·h-1·g-1FW-1,181.3 mg·h-1·g-1FW-1,而 SGW 的峰值在 18 DAP,为 127.0 mg·h-1·g-1FW-1。在成熟期时,PGW的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性比两组对照高,SS活性与两组对照相差不大。在果实发育过程中,南瓜嫁接西瓜糖含量的增加与果实中转化酶活性降低,蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性升高有关,且嫁接西瓜糖分的积累可能受Inv、SPS、SS共同作用的结果。在西瓜果实发育过程中,NGW、SGW、PGW三者柠檬酸合成酶(CS)的变化趋势基本一致,呈现上升趋势,与柠檬酸含量的变化趋势一致,说明CS在柠檬酸合成中起关键作用。NGW苹果酸的含量随着NAD-MDH活性的下降而升高,表明NAD-MDH主要起分解作用。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)在NGW、SGW、PGW果实发育中均呈现先上升后下降的变化趋势。在成熟期发现NGW、SGW、PGW的总酸含量差异不大,这可能是CS、PEPC、NAD-MDH及其它一些酶共同作用的结果。4.南瓜砧木对嫁接西瓜品质影响的基因调控机制在四个果实发育阶段,PGW和SGW之间共发现929个显著表达的差异基因,其中36%下调,64%上调。通过GO注释和KEGG途径分析,发现在果实发育早期大部分基因参与类胡萝卜素生物合成、类黄酮生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、戊糖和葡萄糖醛酸酯互变现象、淀粉和蔗糖代谢等与品质相关的生物过程。在成熟期KEGG途径分析未发现显著富集的差异表达基因。研究结果为南瓜砧木影响嫁接西瓜果实发育和果实品质的关键因素提供了新的见解,将有助于进一步深入研究南瓜砧木影响嫁接西瓜品质的分子机制。5.南瓜砧木对嫁接西瓜番茄红素生物合成相关基因的表达调控转录组分析数据提供了果实发育期间嫁接诱导基因调控番茄红素生物合成新的信息。8 个基因家族(GGPS、PSY、PDS、ZDS、CRTISO、LCYb、LCYe 和 CHY)中33个基因的表达水平与番茄红素的生物合成有关。南瓜嫁接西瓜果实发育过程中有14个基因差异表达,这表明这些基因可能有助于调控嫁接西瓜果实中番茄红素的生物合成。结果对嫁接响应类胡萝卜素代谢和它在南瓜嫁接西瓜果实发育和成熟过程中潜在的作用提供了一些新的见解。

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