淹水土壤H2S生成及H2S对平邑甜茶生理特性的调控

来源 :山东农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yinqing68
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降雨过于集中、排水不畅以及不当灌溉常会导致土壤淹水,淹水会引起土壤缺氧,导致硫化氢(H2S)等还原性物质积累。H2S在高浓度下对植物有毒害作用,但在低浓度下可作为信号分子调节植物生长发育和植物对环境胁迫的适应性。  土壤是果树生长发育的基础,也是H2S的重要来源,但土壤H2S生成规律及淹水对土壤H2S生成的具体影响目前尚不清楚,果树内源H2S生成规律及H2S对淹水等胁迫下果树的影响等也有待探讨。基于此,本研究采用微电极技术分析H2S含量和氧化还原电位(Eh)等特征以及它们对土壤淹水的响应,并以苹果砧木平邑甜茶幼苗(Malus hupehensis Rehd.var pinyiensis)为试材,探讨内源H2S生成及外源H2S对淹水和氯化钠胁迫下幼苗生长、根系构型、光合特性、抗氧化性能、线粒体功能和根尖边缘细胞特征的调节,同时从转录组水平筛选响应淹水胁迫的差异基因,分析外源H2S对抗淹水胁迫下转录因子的调控模式,主要结果如下:  (1)壤土、砂土和粘土中均能检测到H2S气体,最高含量分别为2.85μmol·L-1、0.95μmol·L-1和4.14μmol·L-1,并主要分布在土壤中上层;在0-40cm土层内,随土壤深度增加,H2S浓度呈现“无-有-增加-降低”的分布规律。土壤Eh值和O2浓度均随土壤深度增加而降低,其中粘土降低幅度最大,其次是壤土和砂土。添加有机肥显著提高土壤H2S浓度,添加生物炭则降低土壤H2S浓度。  (2)淹水显著提高了15-35cm土层H2S含量。在淹水处理的14d内,随淹水时间延长土壤H2S含量逐渐增加,但淹水前8d增长缓慢。土壤Eh和O2含量也随淹水时间延长和土层深度增加而降低。添加有机肥促进淹水土壤H2S的生成,添加生物炭则降低淹水土壤H2S生成。  (3)平邑甜茶幼苗出土第4d子叶H2S含量、D/L-Cdes活性及其基因表达量最高,此后逐渐降低至各部位最低。幼苗出土第16d根中H2S含量最高,第20d叶片H2S含量最高,16-20d期间茎中H2S最高且保持相对稳定;根、茎、叶H2S含量较高的时期接近各器官快速生长时期。外施H2S清除剂显著降低幼苗各器官H2S含量和生长量,表明H2S与幼苗的早期生长密切相关。幼叶和衰老叶H2S含量、D/L-Cdes活性及Mh D/L-Cdes表达量高于成熟叶片。淹水处理显著诱导各器官H2S的生成。  (4)在淹水胁迫下,0.02-0.1mmol·L-1的NaHS促进平邑甜茶根系生长,增大根系分形维数,提高根系活力,缓解淹水胁迫造成的根尖死亡,并且提高叶片抗氧化酶活性,降低叶片活性氧(ROS),提高叶片光合速率(Pn)、水分利用效率(WUE)和表观CO2利用效率(CUE),还提高幼苗株高和植株生物量,其中0.1mmol?L-1NaHS效果最显著。  (5)淹水促进幼苗根系和根区土壤NO生成,一氧化氮合酶(NOS)和硝酸还原酶(NR)对促进NO生成均有贡献。0.1mmol·L-1NaHS可显著增加淹水处理下根系和根区土壤NO含量和NR活性,但对NOS活性无明显影响,表明NaHS促进淹水胁迫下根系和根区土壤NO生成主要依赖于NR途径。  (6)0.02-0.1mmol·L-1NaHS可缓解NaCl胁迫对种子萌发和幼根伸长的抑制作用,诱导根尖边缘细胞形成,提高根尖边缘细胞存活率,降低NaCl胁迫下幼根线粒体H2O2和MDA含量,在较长时间内维持较高的SOD、POD、CAT活性,减小线粒体MPTP开放程度,增强线粒体膜流动性,提高线粒体膜电位和Cyt c/a值,其中0.05mmol·L-1NaHS效果最显著;0.2mmol·L-1NaHS会强化NaCl对幼根伸长的抑制以及对线粒体的损害作用,15μmol·L-1NaHS清除剂HT则抵消NaHS对幼根伸长及其线粒体功能的影响。  (7)对淹水处理平邑甜茶的幼根进行转录组测序,共获得3,4011差异表达基因(DEGs),其中1,2952个DEGs上调表达。它们被GO富集分类到20种生物学过程、20种细胞组分和5种分子功能中。涉及生物学过程的DEGs主要富集在氧化还原过程;涉及细胞组分的DEGs主要富集在转录因子复合体过程;涉及分子功能的DEGs主要富集在亚铁血红素过程。共有10,840个DEGs富集到124个KEGG代谢通路,富集显著性最高的是植物激素信号转导通路,共有272个差异基因参与到该通路,其中乙烯介导的抗涝代谢通路中有18个基因上调,11个下调基因。  (8)测序获得的平邑甜茶幼根全部Unigenes中存在82个家族、5203个转录因子编码基因。淹水胁迫后,共获得62个转录因子家族的807个转录因子显著差异表达,其中上调表达的转录因子有308个。MYB是显著差异表达转录因子数量最多的家族,其次是AP2-EREBP、GRAS、C2H2、bHLH、NAC、Orphans、bZIP转录因子家族。通过与拟南芥构建系统进化树,筛选获得平邑甜茶响在淹水胁迫下显著上调的4个MYB转录因子、4个NAC转录因子和5个bZIP转录因子,其中淹水胁迫下3个MYB转录因子、3个NAC转录因子和4个bZIP转录因子可以被0.1mol·L-1NaHS显著上调,表明外源H2S可能通过调控MYB等家族转录因子的表达来缓解淹水等逆境对幼苗生长发育的伤害。
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