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东北地区是我国玉米主产区,低温是该地区限制玉米幼苗生长的主要非生物胁迫之一。本课题组在前期研究发现,低温胁迫下玉米幼苗叶片在生理,生化及分子水平有明显的响应,转录组和脂质组联合分析表明低温胁迫下膜脂代谢及脂信号途径显著激活。本研究以玉米自交系合344为试验材料,在低温(5℃)条件下对二周龄的玉米幼苗进行低温胁迫处理,并对低温胁迫下玉米幼苗根系的生理变化,分子水平,生化变化及生物信息学分析等进行系统研究,明确低温胁迫下玉米幼苗根系生理变化,膜脂代谢以及基因表达模式,为进一步了解玉米对低温的耐受性及创制耐低温玉米品种提供相关理论依据。本研究结果如下:1.玉米在低温胁迫下差异表达基因筛选:本研究对低温(5℃)和对照(22℃)处理3 d的玉米幼苗根系进行转录组测序分析。结果显示,在5℃vs 22℃比对组中,筛选出8482个差异表达基因(|log2FC|≥1),其中4562个上调差异表达基因,3920个下调差异表达基因。将差异表达基因进行功能注释,发现注释到代谢通路的基因最多。筛选出8种激素相关基因,其中赤霉素相关基因最多,其中差异倍数Log2FC≥1的差异基因有21个;在冷信号中,共筛选出69个表达基因,在转录过程中富集的基因最多。同时发现转录因子参与玉米的冷响应,如MYB,WRKY,bHLH和NAC等;其中WRKY家族中,AC209050.3_FG003和GRMZM2G516301表达倍数大于8。2.玉米在低温胁迫下生理变化及差异表达基因:在低温胁迫下,玉米幼苗根系超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD),过氧化物酶(Peroxidase,POD)的活性以及脯氨酸(Proline,Pro)和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量随着处理时间的延长而增加。同时在转录组数据中筛选出10个ZmSOD基因,其中有8个基因上调表达。筛选出12个上调表达的ZmPOD基因,其中ZmPOD35,92,94和108显著上调表达;筛选出10个编码脂氧和酶(Lipoxygenase,LOX)的基因,该基因与丙二醛含量有密切关系,其中ZmLOX4,7,8和9基因显著上调表达。3.玉米在低温胁迫下膜脂含量变化及脂类调控:对低温胁迫下玉米幼苗根系进行脂质组学分析,共检测到12种脂类。玉米幼苗根系中磷脂酰胆碱(Phosphatidylcholine,PC)的含量最丰富。在低温胁迫下,磷脂中磷脂酰胆碱(Phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine,PE)以及磷脂酸(Phosphatidic acid,PA)的百分含量上升,其中PA百分含量与对照相比上升了63.2%。磷脂酰甘油(Phosphatidyl glycerol,PG)和磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine,PS)的百分含量下降;糖脂中双半乳糖甘油二酯(Digalactosyldiacylglycerol,DGDG)的含量上升,半乳糖甘油二酯(Monogalactosyl diacylglycerol,MDGD)的含量降低,硫脂中硫代异鼠李糖甘油二酯(Sulfoquinovosyl diacylglycerol SQDG)的百分含量无明显变化;在溶血磷脂中,LPG的百分含量上升且含量最丰富,其中LPG百分含量与对照相比上升了128.8%。LPC和LPE的百分含量无明显变化。在转录组数据中对脂类相关基因进行筛选,共筛选出189个差异基因,分别注释到14个脂类代谢途径中,其中有106个基因上调表达,83个基因下调表达。磷脂信号“Phospholipid Signaling”,脂肪酸伸长和蜡脂生物合成“Fatty Acid Elongation&Wax Biosynthesis”以及真核磷脂合成与编辑“Eukaryotic Phospholipid Synthesis&Editing”途径富集的差异表达基因最多,表明磷脂代谢途径在低温胁迫下可能被激活。4.玉米脂肪酸脱氢酶基因家族鉴定及表达:从玉米基因组数据库中共鉴定出30个脂肪酸脱氢酶基因(Fatty Acid Desaturases,FAD),包括17个膜结合FAD和13个水溶性FAB2。通过系统发育分析,将其进一步分为五个和两个亚族。尽管水溶性FAB2和膜结合FAD之间没有进化关系,但它们都有一个高度保守的FA_desaturase结构域,并且每个亚族中保守基序的类型和分布均相似。利用荧光定量qRT-PCR对低温胁迫下玉米幼苗中的脂肪酸脱氢酶基因进行表达分析;在冷胁迫下,ZmFAD2.1&2.2,ZmFAD7和ZmSLD1&3的表达显著上调。通过共表达网络分析表明,在冷胁迫下,转录因子与响应低温胁迫的FAD基因之间存在密切的相关性。这项研究将有助于了解植物FAD基因在响应低温胁迫过程中的作用。