外源激素缓解玉米深播胁迫的生理及转录响应分析

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玉米(Zea mays L.)不仅可以作为粮食和饲料作物,又可作为能源作物,其对促进我国的经济发展具有至关重要的作用。我国玉米主产区主要分布在依靠自然降雨的干旱与半干旱地区,这些地区存在干旱少雨、土壤含水量少、无灌溉条件等诸多问题。深播作为玉米避旱、保墒保苗的途径之一,可有效降低干旱胁迫对其生长造成的不利影响。然而,深播会影响玉米的出苗,对其生长和发育具有一定的影响。为深入探究深播胁迫及外源激素缓解深播胁迫下玉米自交系的生理及转录组学变化,本研究在15 cm播深下,从11个玉米自交系中筛选出耐深播性不同的材料,并筛选出缓解深播胁迫的最适外源油菜素甾醇(Brassinosteroids,BR)与独脚金内酯(Strigolactone,SL)浓度。探究该浓度下不同外源激素对玉米深播胁迫的缓解效应,以期阐明玉米耐深播胁迫的生理和分子变化,挖掘出玉米耐深播的相关候选基因,并掌握外源激素缓解玉米深播的分子机制,为培育耐深播的玉米新品种奠定基础。本研究主要结果如下:1.测定了11份玉米自交系在两种播深(3 cm和15 cm)下的中胚轴长、胚芽鞘长、苗长、根长、中胚轴鲜重、胚芽鞘鲜重、苗鲜重及根鲜重等形态指标,对这些指标进行欧式距离层次聚类分析与Person相关性分析,筛选出B73、N192和齐319为3个极耐深播玉米自交系;Mo17、自330、K12与吉853是4个深播敏感玉米自交系。以深播敏感自交系自330为材料,通过对外源BR与SL缓解深播的表型数据进行相关性分析和隶属函数法综合分析,筛选出BR与SL的最适浓度分别为0.4 mg/L和0.5 mmol/L。2.以深播敏感自交系自330和耐深播自交系齐319为材料,在3 cm和15cm深播下分别用最佳浓度的外源激素处理。结果发现,与深播胁迫相比,在赤霉素(Gibberellins,GA3)、BR、SL缓解深播胁迫后,两自交系的中胚轴长、中胚轴与胚芽鞘长之和及苗长均显著增加。与深播胁迫相比,深播胁迫下添加外源GA3,BR与SL后,两自交系中胚轴中内源GA3与IAA含量明显增加,而内源激素BR与SL明显降低。因此,我们推测添加外源GA3,BR与SL后,玉米自交系通过增加GA3与IAA含量来响应对深播的胁迫。3.运用石蜡切片的方法对两自交系正常播深、深播以及添加外源激素处理后的细胞学进行观察分析发现,外源激素缓解玉米自交系深播胁迫时,GA3,BR和SL能够明显促进中胚轴细胞的伸长。4.采用RNA-Seq技术对两自交系正常播深、深播以及添加外源激素的转录响应进行分析,深播胁迫、GA3、BR以及SL缓解深播胁迫后,玉米自交系齐319与自330的差异表达基因主要富集在氧化还原过程以及质膜、细胞壁组织相关的功能中,主要包括纤维素合成酶、膨胀素和葡聚糖酶、氧化物酶等。此外,初步筛选出ABA信号通路、IAA和木质素生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、葡聚糖及GA信号等参与外源激素缓解耐深播胁迫,并构建了其调控网络图。
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