花生苗期耐冷评价体系构建及其生理与分子机制

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:sairei
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早春低温是限制我国东北地区花生产量和品质的关键性因素,主要发生在萌发期和幼苗期两个阶段。在农业生产上,耐冷品种的选育是解决低温冷害问题最直接有效的手段,因此,针对萌发期和幼苗期筛选花生耐冷材料并揭示花生耐冷机理对东北地区花生生产至关重要。本研究以68份东北地区主栽的花生品种(品系)为试验材料,分别在室内萌发期和幼苗期及田间对其耐冷性进行了评价,并以耐冷型和冷敏感型花生品种为研究材料,通过形态生理指标测定、高通量转录组测序和脂质组检测等方法,从生理、生化以及分子生物学水平上对花生的耐冷机理进行了探究,主要研究结果如下:1.通过对68份花生种质萌发期、幼苗期及田间的耐冷性进行鉴定,构建了花生耐冷的综合评价体系。在萌发期,对10℃、8℃、6℃和4℃处理7d后各花生种质的种子活力进行分析发现,6℃处理7d适合作为大批量花生种质耐冷性鉴定的条件,并筛选出耐冷型花生种质18份,中间型花生种质38份,冷敏感型花生种质12份;在幼苗期,叶面积、地上部鲜重和耐冷等级与花生的耐冷性最相关,可以作为花生苗期耐冷性鉴定的评价指标;在田间,通过测定出苗率、出苗能力和产量构成因素对室内筛选结果进行验证,最终鉴定出适合东北地区种植的在萌发期和幼苗期均耐冷的花生品种NH5,及冷敏感型花生品种FH18。2.低温胁迫显著抑制花生植株的生长发育,其中地上部分所受抑制程度显著大于地下部分。低温胁迫下花生叶片膜透性增大,电解质渗透率升高,NH5可通过增加可溶性蛋白和游离脯氨酸含量来维持细胞的渗透平衡;低温胁迫下,NH5和FH18的MDA、O2·-和H2O2的含量均增加,但NH5增加幅度小于FH18,原因归于NH5中SOD、POD、CAT和APX的活性始终处于较高水平,抑制了活性氧的积累,其中,CAT和APX活性的升高可能是使细胞内H2O2始终保持在较低水平的主要原因;低温胁迫下,气孔限制因素是花生植株光合速率下降的主要原因;叶绿素荧光参数Fv/Fm、ΦPSII、qP和ETR也呈明显下降趋势,但NH5在低温胁迫初期可以抑制PSⅡ光合活性的降低和电子传递速率的下降,从而维持花生叶片的光化学效率。低温胁迫下,FH18的叶片细胞结构遭到明显破坏,主要体现在膜系统和叶绿体结构受损,线粒体数量增多,有毒物质的大量积累等,NH5在低温胁迫下可以保持细胞结构的完整性,从而维持膜系统的稳定性和光合作用的正常进行。3.通过低温胁迫下耐冷型花生品种NH5和冷敏感型花生品种FH18的比较转录组学分析,共筛选出759个花生耐冷相关基因。功能富集分析结果表明,低温胁迫下花生冷响应基因在植物激素信号转导和植物病原菌互作通路中显著富集,而花生耐冷相关基因在膜脂代谢和脂肪酸代谢通路中显著富集。共鉴定出59个与脂类代谢相关的耐冷基因,主要参与贮存脂TAG的合成、膜脂代谢和脂肪酸代谢过程,且大部分为显著上调表达。此外,基于转录组测序数据,筛选出445个花生耐冷相关的转录因子,分属于69个家族,其中bHLH、MYB、NAC、ERF、WRKY和C2H2六个家族中所占数目最多,且76.62%为上调表达。功能富集分析结果表明,耐冷相关转录因子在植物激素信号转导通路中最为显著富集。其中,arahy.108W4S(MGP)、arahy.FK7XM9(SAP11)、arahy.2MPX2Y/arahy.8LB9ZD(DREB2C)转录因子可通过ABA信号转导途径调控花生的耐冷性,而arahy.J8HG2W(ICE1)、arahy.0RH9QK(MYC2)和arahy.2KRW4X(MYC4)可通过JA信号转导途径增强花生的耐冷性。4.利用脂质组学检测技术,在花生叶片中共检测到20个膜脂组分和168个脂质分子种,低温胁迫下,花生叶片中MGDG、PC、PG、PE和LPG均显著降低,且在FH18中下降幅度较大;而PA、PI、PS、LPC和LPE均有所增加,且FH18中PA的增加幅度显著高于NH5;同时,NH5中的DGDG、SQDG、DAG及TAG也都显著增加。双键指数计算结果表明,低温胁迫下,耐冷品种NH5的膜脂不饱和度显著增加,而冷敏感品种FH18的膜脂不饱和度显著下降,花生叶片中C36:6-MGDG含量的降低是导致膜脂不饱和度降低的主要原因,而耐冷品种中C36:6-DGDG含量的大幅度增加是膜脂不饱和度提高的主要原因。通过GC-MS共从花生叶片中检测到22种脂肪酸,其中C16:0、C16:1、C18:0、C18:1、C18:2、C18:3和C20:4的含量较高,是花生叶片中的主要脂肪酸。低温胁迫下,花生叶片中总脂肪酸含量、不饱和脂肪酸含量及脂肪酸不饱和指数均有所增加,而饱和脂肪酸含量显著减少,且耐冷品种的变化幅度较大。5.综合转录组和脂质组分析结果,构建了花生耐冷的脂类代谢调控网络,低温胁迫下,内质网中的磷脂合成途径以及叶绿体中的半乳糖脂合成途径和α-亚麻酸代谢途径的大部分反应均被激活,且催化这些反应步骤的基因大多呈上调表达。低温胁迫下花生叶片中PAP1和CDS1/2的上调表达可使植株避免因PA过度积累而造成膜脂过氧化损伤。同时,MGD、DGD1和SQD2上调表达导致的DGDG和SQDG含量的增加对保证叶绿体结构完整性,维持光合作用的正常进行至关重要。此外,α-亚麻酸代谢和脂肪酸β-氧化过程可通过调控JA信号转导通路来提高花生的耐冷性。
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