外源独脚金内酯对黄瓜盐胁迫耐受性的影响

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环境胁迫可以抑制种子萌发、延缓植株生长、加速衰老,甚至导致植株死亡。盐胁迫是严重制约农业生产的环境胁迫因子。植物通过多种生化和分子机制对盐胁迫作出响应,这些机制包括调节离子吸收和积累,缓解膜脂损伤,维持渗透平衡,增强光合作用和氧化酶(抗氧化酶和非抗氧化酶)的活性,改变抗盐基因的表达,强化植物盐胁迫耐受性。此外,植物激素(生长素、乙烯、茉莉酸、赤霉酸和脱落酸等)水平或其它信号分子(过氧化氢和钙离子)感知和转导也可调整植物生长策略,从而适应盐胁迫。黄瓜是一种重要的蔬菜作物,而盐碱地种植的黄瓜产量明显受到限制。因此,耐盐机制的研究对盐胁迫下黄瓜幼苗的增产具有理论指导意义。独脚金内酯(Strigolactones/SLs)是从植物根系分泌物中分离得到的一类类胡萝卜素类萜类内酯,能够参与植物的生长发育和非生物胁迫的防御应答,但是目前关于SLs介导植物对盐胁迫反应的分子机制研究还不系统,参与SLs调节植物盐胁迫响应过程的信号途径和信号分子的研究比较少。本研究以“景润35号”黄瓜品种为实验材料,对盐胁迫下黄瓜幼苗叶片喷施GR24(SLs类似物),研究外源GR24对黄瓜幼苗生长表型、渗透调节、膜脂损伤、离子含量、光合作用、气孔开度、氧化防御能力和抗逆基因表达水平的影响,并利用转录组(RNA-Seq)分析了外源GR24对黄瓜幼苗耐盐性基因和代谢通路的影响。此外,还通过加入NADP氧化酶抑制剂DPI、H2O2清除剂DMTU、Ca2+螯合剂EGTA和Ca2+通道抑制剂La Cl3探究信号分子H2O2和Ca2+是否参与调控黄瓜幼苗耐盐性。从生理生化和基因水平分析SLs诱导黄瓜幼苗耐盐性的机制,为SLs缓解盐胁迫的抗逆机制提供新的见解。主要结果如下:(1)与单独盐胁迫相比,外源GR24预处理下黄瓜幼苗中生长受到明显抑制,MDA、ASA和GSH含量显著上升,GSSG含量和GSH/GSSG比值明显下降,表明外源GR24可通过影响ASA-GSH循环缓解盐胁迫,降低膜损伤,提高耐盐性。此外,盐胁迫导致黄瓜幼苗气孔开度减小,总叶绿素含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量、RWC、Tr、Gs、Pn、Ci、Pn、Fv′/Fm′、ETR、Y(II)、q P、q L和Fv/Fm均降低,NPQ、Y(NPQ)及qN均升高。GR24预处理缓解盐胁迫造成的光合速率的下降,气孔开度增强,叶绿素含量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量以及RWC、Tr、Gs、Pn、Ci、Pn、Fv′/Fm′、ETR、Y(II)、q P、q L和Fv/Fm均升高,NPQ、Y(NPQ)及qN均显著升高,而DPI和DMTU抑制了GR24对盐胁迫下黄瓜幼苗光合作用的缓解作用。表明外源GR24提高了盐胁迫下黄瓜幼苗渗透调节、气体交换参数和光和参数,增强了黄瓜幼苗的光合作用,且H2O2参与了该过程。(2)盐胁迫造成膜损伤,离子失衡,渗透胁迫和氧化应激,而外源GR24预处理缓解了盐胁迫下黄瓜幼苗膜损伤,增强渗透调节,维持离子稳态,提高ROS清除能力,增强了抗氧化酶的活性和抗逆基因的表达。qRT-PCR分析发现,外源GR24诱导抗氧化酶基因(CsCAT、CsSOD、CsPOD和CsAPX)、NADPH基因(CsRBOHA-F)、MAPK基因(Cs MAPK3、CsMAPK4和CsMAPK6)、SOS基因(CsSOS1、CsSOS2和CsSOS3)和CDPK相关基因(CsCDPK1-6、CsCDPK10-14和CsCDPK16-19)在响应盐胁迫中基因的表达水平发生了显著变化。此外,DPI、DMTU、EGTA和LaCl3的施用抑制了外源GR24对黄瓜耐盐性的提高,表明信号分子Ca2+和H2O2介导黄瓜幼苗中的盐胁迫信号转导。(3)RNA-Seq测序分析发现,CK(对照)vsD(NaCl)、CKvsLD(GR24+NaCl)、和DvsLD中分别有10726个、7072个和1678个差异表达基因(DEGs)。GO功能注释表明,DEGs主要富集在代谢过程、细胞过程、生物调节以及刺激应答、信号传导、膜和抗氧化等过程。KEGG富集分析表明,DEGs主要富集在淀粉、蔗糖代谢、碳代谢、光合作用、光合生物中的碳固定、植物激素信号转导等。其中DvsLD中DEGs主要包括光合作用、过氧化、谷胱甘肽代谢、Ca2+信号转导和MAPK级联信号途径的相关蛋白和代谢物以及刺激其它植物激素(IAA、赤霉素、BRs、ABA等)信号转导增强耐盐性的相关蛋白和转录因子。此外,部分DEGs也参与了盐胁迫的代谢过程,包括糖酵解、碳水化合物代谢、TCA循环和次级代谢途径。
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