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近年来,化肥和农药的大规模使用造成了土壤肥力下降,环境污染加重等问题,这给农业的可持续发展带来了挑战;与此同时,人们对粮食安全及食品品质问题越来越重视。壳寡糖是一种自然界中广泛存在的线性寡糖,由于其具有多种生物活性,壳寡糖已应用到诸多行业中去。在农业上,大量研究表明,壳寡糖能促进植物的生长发育。并且,壳寡糖的聚合度与其生物活性密切相关,根据生物活性的不同,其构效关系也存在差异。但以往的研究大都是以包含多种聚合度的壳寡糖混合物为材料研究其促生长活性。因此,很难知道具体是哪些聚合度的壳寡糖片段在其促生长活性方面发挥了主要作用。此外,以往对壳寡糖促进植物生长发育的研究大都局限于植物对壳寡糖的形态学和生理学响应,而壳寡糖对植物代谢的具体调控机制还不清楚。为了使壳寡糖能更好地应用到农业中去,本论文从下面两个方面开展研究工作:一是对壳寡糖聚合度与其促生长活性间的构效关系进行研究;二是通过代谢组学和转录组学技术,研究了小麦幼苗对壳寡糖的代谢响应情况以及相应的代谢调控机制。具体研究结果如下:1.9种单一聚合度或窄聚合度(壳二糖、壳三糖、壳四糖、壳五糖、壳六糖、壳七糖、壳八糖、DP 8-10和DP 10-12)的壳寡糖处理小麦幼苗后,我们对各处理组中小麦幼苗的根长、苗高、干重、鲜重以及光合作用和叶绿素荧光相关的参数进行了测定。结果表明,壳寡糖的促生长活性与其聚合度密切相关,并且聚合度大于3是壳寡糖发挥促生长活性的结构基础。与其他寡糖相比,壳五糖、壳六糖、壳七糖、壳八糖和DP 8-10对小麦幼苗生长参数以及光合作用相关参数的促进作用更好,其中,壳七糖的活性最好。在壳七糖处理组中,小麦幼苗的根长、干重和鲜重明显增加,可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量分别增加了59.4%、22.0%和20.3%。各聚合度壳寡糖对光合作用和叶绿素荧光相关参数的影响与其对生长参数的影响相一致。在壳七糖处理组中,小麦幼苗叶片中的净光合速率(Pn),光系统Ⅱ的潜在活性(Fv/Fo),光化学淬灭系数(qP)和可变荧光下降比值(Rfd)分别提高了35.2%、11.0%、18.6%和14.7%,而非荧光淬灭系数(NPQ)则降低了48.6%,说明壳寡糖能促进小麦幼苗的光合作用,提高光能利用率。2.根据壳寡糖的聚合度与其促生长活性间的构效关系的研究结果,我们选取活性较好的壳六糖、壳七糖和壳八糖,通过代谢组学的方法(GC-TOF-MS)进一步研究了小麦幼苗对壳寡糖的代谢响应情况。代谢组学结果表明,壳六糖、壳七糖和壳八糖均能诱导小麦幼苗基础代谢过程(光合碳固定、糖酵解、TCA循环和基本氮代谢等)中有机酸、糖类和氨基酸含量的变化。壳六糖、壳七糖和壳八糖处理后分别诱导小麦幼苗产生了29、55和48个差异代谢物。这一结果表明,与壳六糖相比,壳七糖和壳八糖对小麦幼苗代谢组学的影响更大。通过对差异代谢物进行KEGG分析发现,壳七糖处理组中的差异代谢物主要参与了小麦幼苗中的光合碳固定、TCA循环、丙酮酸代谢以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢;壳八糖主要参与了光合碳固定、淀粉和蔗糖代谢以及半乳糖代谢;然而,壳六糖则主要激活了植物的果糖和甘露糖代谢。因此,壳七糖在激活植物碳氮代谢方面的活性相对更好。3.为了进一步对代谢组学的结果进行验证,我们选取壳七糖进一步从代谢物水平,相关酶活及基因表达水平层面研究了壳寡糖对小麦幼苗碳氮代谢的影响。结果表明,壳七糖可以促进小麦幼苗光反应的进行,提高小麦幼苗的蔗糖含量。蔗糖磷酸合成酶(SPS)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)是蔗糖合成过程中的两个关键酶,它们的酶活和基因表达水平均明显提高。在TCA循环中,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和丙酮酸脱氢酶(PDH)的酶活及其基因表达水平的提高可能进一步导致了中间代谢物草酰乙酸和苹果酸含量的增加。此外,壳七糖还能明显促进植物的氮还原和氮同化。在壳七糖处理组中,谷氨酸和天冬氨酸的含量明显高于对照组,小麦幼苗中与这些差异氨基酸合成相关的酶,包括硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸脱氢酶和谷草转氨酶等的活性也明显升高。因此,壳七糖处理可以综合调控植物的碳氮代谢。4.为了进一步研究壳寡糖对植物的代谢调控机制,本论文继续通过转录组学的方法,分析了壳七糖处理后,小麦幼苗叶片中的mRNAs和microRNAs(miRNAs)应答情况。我们共鉴定到了400个差异表达的mRNAs,包括268个上调mRNAs和132个下调mRNAs。通过对差异表达mRNAs进行GO富集分析和KEGG富集分析,我们发现壳寡糖可以调控与植物光合作用、基础碳氮代谢、防御应答以及转录因子等相关基因的差异表达。此外,miRNAs也参与了壳寡糖对植物生长发育相关代谢的调控。与对照相比,壳七糖处理组中小RNA(sRNAs)的长度分布在18~30 nt间有明显变化。我们鉴定出了87个已知miRNAs和21个新miRNAs,其中包含56个差异表达mi RNAs。其中,壳七糖诱导miRNA156,mi RNA159a,miRNA164和miRNA171a的表达水平显著下调,而miR167c,mi RNA319和mi RNA1127的表达水平明显上调。