【摘 要】
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镉是小麦(Triticum aestivum.L)生长发育非必需的金属元素,不仅对小麦的生长发育产生影响,而且具有很强的毒性和迁移性。镉处理对作物生长发育的影响以及相关分子机制的研究多集中在水稻、大麦、玉米等作物中,对小麦的相关研究较少。本研究以不同镉浓度处理后的矮抗58、中国春、辉县红及新麦9号为实验材料进行转录组测序分析,筛选出响应镉处理的关键基因。同时以矮抗58及与矮抗58亲缘关系不同的小麦
【基金项目】
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河南省小麦产业体系岗位专家项目(S2010-01-G09); 中原英才计划;
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镉是小麦(Triticum aestivum.L)生长发育非必需的金属元素,不仅对小麦的生长发育产生影响,而且具有很强的毒性和迁移性。镉处理对作物生长发育的影响以及相关分子机制的研究多集中在水稻、大麦、玉米等作物中,对小麦的相关研究较少。本研究以不同镉浓度处理后的矮抗58、中国春、辉县红及新麦9号为实验材料进行转录组测序分析,筛选出响应镉处理的关键基因。同时以矮抗58及与矮抗58亲缘关系不同的小麦品种为试验材料,研究了不同镉浓度处理下小麦幼苗的根系形态、不同部位的镉含量以及关键基因的表达情况,以期为探究镉对小麦的生长发育的影响奠定理论基础,主要研究内容如下:1.利用Illumina Hi Seq 2500测序平台技术对不同浓度镉处理的矮抗58、中国春、辉县红以及新麦9号的根系进行转录组测序(RNA-Seq)分析。结果发现:镉处理下,四个品种中表达模式一致的基因有177个。从中选取表达量差异倍数比较大的8个差异表达基因(DEGs)在矮抗58的根中进行实时荧光定量PCR(q RT-PCR)验证,结果发现表达模式与RNA-Seq分析结果一致。随后对这177个DEGs进行GO功能注释和KEGG富集分析。GO分析发现,表达模式上调基因主要富集在细胞代谢、生物调控、催化活性以及结合等生物过程,下调表达基因主要富集在代谢过程、催化活性、结合以及刺激响应等过程。KEGG富集分析的结果表明,上调表达基因主要参与代谢途径、植物信号转导以及次生代谢物的生物合成等过程,而下调表达基因主要参与代谢途径和次生代谢产物的生物合成等过程。基因表达趋势分析发现辉县红和新麦9号中有80个基因的表达趋势在镉处理2 h、6 h、12 h、24 h、48 h和72 h一致。2.以矮抗58为试验材料,进行不同浓度镉处理(CK、3 mg/L、10 mg/L),测定矮抗58的根系形态、不同部位的镉含量及关键基因的表达量。结果表明:(1)随着镉处理浓度的增加,矮抗58幼苗整株和不同部位的镉含量增加,均达到显著性水平。在浓度处理为3 mg/L、10 mg/L,根到茎的转移系数与茎到叶表现出明显的差异。同时发现不同部位镉含量表现出根>茎>叶的规律。(2)与对照相比,在镉处理浓度为3 mg/L时,矮抗58幼苗的根长、根表面积、根体积及根平均直径降低,均达到了显著水平,而根尖数显著增加,表明该浓度抑制了根系的伸长。当镉处理浓度为10 mg/L时,根长、根尖数、根体积以及根表面积均显著降低,同时根平均直径显著增加,说明根系生长和吸收能力都受到了严重的抑制。随着镉处理浓度的增加,矮抗58的根长、根表面积、根体积均显著的降低。(3)利用上面筛选到的8个关键基因,测定这8个基因在矮抗58幼苗不同部位(根、茎、叶)的表达水平,结果发现在不同浓度镉处理下,同一个基因在同一部位的表达也存在差异。其中,随着镉处理浓度的增加,矮抗58幼苗的根长、根表面积、根体积均显著减少,同时Traes CS2B02G394500在根系中表达量显著增加。结果表明在镉处理下,矮抗58的根长、根表面积、根体积与Traes CS2B02G394500在根系中的表达量有一定的相关性。3.根据小麦基因芯片数据进行聚类分析,选取与矮抗58亲缘关系近的小麦品种(轮选103、万丰269、抗白4199)以及亲缘关系远的小麦品种(农大399、禾丰3号)对上述矮抗58的结果进行验证。分别测定不同小麦品种在镉处理浓度为0 mg/L、3mg/L时根系形态参数、不同部位的镉含量,以及Traes CS2B02G394500在不同小麦品种根系的表达量。结果表明:在镉处理下,不同小麦品种的根长和Traes CS2B02G394500在不同品种的根系中表达量的变化与矮抗58表现出相同的趋势,进一步证明在镉处理下,根长的变化趋势与Traes CS2B02G394500在根系中的表达量具有一定的相关性,得到与矮抗58类似的结论。此外,发现Traes CS2B02G394500基因产物是YSL12,其主要的生物学功能与跨膜转运有关,进一步表明Traes CS2B02G394500可能是响应镉处理的关键基因。
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