甜瓜对盐碱胁迫的形态学与生理生化响应和转录组分析

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:yylove51
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盐碱化对植株生长发育和生理生化代谢均会产生不良影响,也是是制约甜瓜设施栽培的主要因素之一。盐碱化环境下,甜瓜品质变差、产量下降,严重影响其栽培经济价值,这一问题在目前连作年限增加和大量化肥施用的情况下日趋严重。本论文以甜瓜品种‘新银辉’为实验材料,利用NaCl、NaHCO3单独处理和NaCl+NaHCO3复合处理模拟盐渍化环境,以霍兰格营养液为对照,观测了盐渍化对甜瓜种子萌发和幼苗生长的影响。NaCl处理浓度为:种子:0、50、100、150、200、250 mmol/L;幼苗:0、50、100、200 mmol/L NaHCO3处理浓度为:种子:0、30、60、90、120mmol/L;幼苗:0、30、60、90 mmol/LNaCl+NaHCO3复合处理浓度为:0+0、25+12.5、50+25和100+50 mmol/L。测定盐碱胁迫下甜瓜的生理生化指标,同时对NaCl和NaHCO3复合处理后0 h、6 h和48h的甜瓜叶片进行了转录组测序,以探讨甜瓜幼苗对盐碱胁迫的分子响应。研究结果将为解决盐碱化土壤中的甜瓜生产提供理论依据。主要研究结果如下:(1)50 mmol/L的NaCl处理可以促进甜瓜种子的萌发,发芽率、发芽速度、胚根长、胚轴长和鲜重均高于对照;大于100 mmol/L的NaCl抑制了种子萌发。(2)NaHCO3对种子萌发的抑制作用明显,抑制效应也与处理浓度和时间呈正比,种子胚根长、胚轴长和鲜重等形态学指标均随着处理浓度升高而下降。(3)NaCl和NaHCO3复合处理的抑制作用存在类似的浓度依赖效应。盐碱复合胁迫对甜瓜种子萌发过程中活性氧代谢产生了明显的影响。复合处理后48 h内甜瓜种子SOD活性出现高于对照大幅度上升趋势;CAT和POD活性均呈升-降-升趋势;MDA含量先升后降;脯氨酸含量持续增加,可溶性糖含量持续下降。(4)50 mmol/L的NaCl可以促进甜瓜幼苗的生长,株高、根长和鲜重等均高于对照。超过100 mmol/L的NaCl会对幼苗株高、鲜重、根长和茎粗等形态指标产生不良影响,幼苗叶片出现黄化和萎蔫,根生长停滞甚至萎缩;随处理时间延长,高浓度的NaCl最终会对幼苗产生致死效应。NaHCO3处理也抑制了甜瓜幼苗的生长,株高、根长和鲜重等形态指标均低于对照,90 mmol/L的NaHCO3处理下的甜瓜幼苗出现叶片黄化、根系萎缩的现象。NaCl和NaHCO3复合处理抑制了甜瓜幼苗的生长,抑制作用随着胁迫浓度的提高和胁迫时间的增加,逐步增强。(5)NaCl和NaHCO3复合处理后甜瓜幼苗叶片H2O2含量表现为升降升的趋势;SOD活性先升后降;CAT活性降-升-降,POD活性先降后升;MDA含量表现为升降升趋势;Pro含量持续上升;可溶性糖含量与对照相比差异不显著。光合作用相关指标中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量均呈先升后降趋势。PSⅡ最大光化学效率变化不显著,实际光化学效率Y(Ⅱ)先降后升,与对照差异明显;qP整体都呈下降趋势,而NPQ呈上升趋势;调节性耗散量子产额Y(NPQ)和非调节性耗散量子产额Y(NO)均表现为先升后降。(6)使用高通量测序技术对50 mmol/L NaCl+25 mmol/L NaHCO3复合处理模拟的盐碱胁迫组和未处理叶片进行转录组测序分析,取样点为6 h和48 h。本研究共完成12个样品的转录组测序,共获得74.69Gb Clean bases和250.39 Mb Clean reads,平均每个样品产出6.22 Gb Clean bases和20.86 Mb Clean reads,Q30碱基百分比在90%以上。将各样品的Clean Reads比对到参考基因组的序列中,比对效率为90.32%93.19%,另外还发现474个新基因。基于比对结果,对样品基因结构进行分析,发现平均每个样品大约有52,000个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms,SNP)位点,且以基因区SNP位点居多,同时也发现该甜瓜品种的杂合型SNP位点所占比例很小,仅为2.8%左右。另外,转录组数据分析显示每个样品中都有12种可变剪接(Alternative Splicing,AS)类型,AS类型在盐碱胁迫和对照条件下是一样的,但是在盐碱胁迫下样品的AS发生事件数量明显高于正常培养条件下的样品数量,并且以TSS和TTS发生的数量为最多,说明3’和5’外显子剪切在盐碱胁迫响应中占主导地位。(7)通过基因表达模式分析,发现在6 h对照和处理组(H6 vs T6)有370个差异基因(Differentially Expressed Genes,DEGs),包括216个上调基因和154个下调基因;48 h对照和处理组(H48 vs T48)有325个DEGs,包含91个上调基因和234个下调基因,H6 vs T6和H48 vs T48共表达基因77个。通过DEGs的GO分类注释发现,在盐碱胁迫早期(6 h)主要影响细胞膜和转录因子功能,甜瓜对盐碱胁迫产生一定的抗性,在盐碱胁迫后期(48 h)影响了细胞内部的功能,对甜瓜进一步产生毒害作用。对DEGs进行KEGG富集分析显示,盐碱胁迫主要影响甜瓜的代谢,所涉及的通路在所有的KEGG通路中所占比例为70.28%(H6 vs T6)和68.76%(H48 vs T48)。对H6 vs T6组和H48 vs T48组中显著富集的前20个通路进行分析发现,在盐碱胁迫早期甜瓜主要是通过代谢、植物激素信号转导和昼夜节律的改变提高对盐碱胁迫的适应性,而随着盐碱胁迫时间的延长加重了甜瓜受损的程度,并造成了DNA损伤,严重影响了甜瓜的生长和发育。最后利用荧光定量实验对转录组测序结果进行了验证,分析了18个DEGs在盐碱胁迫后0 h,6 h,12 h,24 h和48 h的表达情况,证实了转录组数据的可信性和准确性。
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