论文部分内容阅读
谷子（Setaria italica L.）属C4作物,具有抗旱、耐瘠薄、适应性广等特点,是维持我国干旱贫瘠地区农业经济稳定的特色作物。干旱胁迫是谷子重要的非生物胁迫之一,严重抑制了其生长发育,制约了生产力的提升。因此,开展谷子抗旱性分子生物学研究,对揭示谷子抗旱的遗传背景及分子调控机制,以及谷子抗旱品种改良具有重要意义。本研究以田间和室内筛选的抗旱品种大毛毛谷（DM）和旱敏感品种红粘谷（HN）为试验材料,在苗期（三叶期）用20%聚乙二醇（PEG6000）Hoagland营养液进行室内水培养及模拟干旱胁迫处理。在模拟干旱胁迫处理0h、24h、48h和72h分别采集叶片组织,通过生理生化参数测定、转录组和蛋白质组表达模式分析,研究谷子响应干旱胁迫的应答机制,为谷子优质抗旱品种选育提供参考。研究得出如下主要结论:（1）模拟干旱胁迫下,参试谷子品种均表现出叶片失水,叶片变黄萎蔫,地上生物量显著降低,根冠比增加,净光合速率Pn和气孔导度Gs受到了明显的抑制,叶绿素总含量及叶绿素a、b分含量显著下降,MDA积累持续上升,可溶性糖及脯氨酸含量持续增加,24h内ABA及JA含量显著上升。与旱敏感品种红粘谷（HN）相比,抗旱品种大毛毛谷（DM）的根冠比增加的幅度较大,MDA积累水平、RWC和叶绿素含量降低幅度较低,脯氨酸含量增长幅度与速度较快,表明抗旱品种大毛毛谷（DM）干旱胁迫下代谢活性能维持较高水平,具有较强的耐旱性,这与田间的观测结果一致。（2）转录组分析结果显示,抗旱品种大毛毛谷（DM）和旱敏感品种红粘谷（HN）叶片分别鉴定出3,488个差异表达基因（DEGs）（1,644个上调,1,844个下调）和2,040个DEGs（1,311个上调,729个下调）,两者共表达919个DEGs（899个上下调一致,20个表达模式相反）。抗旱品种大毛毛谷（DM）差异基因在叶绿素合成代谢、抗坏血酸循环、精氨酸和脯氨酸代谢、黄酮类化合物代谢和氧化还原代谢中的谷胱甘肽代谢通路中显著富集,而旱敏感品种红粘谷（HN）差异基因在“淀粉和蔗糖代谢”、“半乳糖代谢”和“糖酵解/糖异生”通路中显著富集。（3）蛋白组学分析结果表明,在干旱胁迫下,供试谷子品种叶片内总共鉴定出66种差异表达蛋白（DEPs）。抗旱品种大毛毛谷（DM）叶片中鉴定出34种DEPs（23种上调,9种下调）,旱敏感品种红粘谷（HN）中鉴定出23种DEPs（12种上调,11种下调）。这些差异蛋白主要参与了光合作用、糖酵解、TCA循环、蛋白质和氨基酸代谢和逆境相关蛋白代谢等。干旱胁迫显著诱导了淀粉降解代谢和糖酵解相关酶的表达,抑制了光合作用和TCA循环相关酶的表达。（4）联合分析表明,蛋白质组中差异蛋白的表达与转录组中的基因表达情况呈明显正相关。抗旱品种大毛毛谷（DM）斯皮尔曼等级相关系数ρ值为0.0333,皮尔森积矩相关系数r值为0.6720;旱敏感品种红粘谷ρ值为0.0443,r值为0.5757。转录组和蛋白质组的关联分析表明,DEGs和DEPs的数量和丰度存在显著差异,但在干旱胁迫下表达模式和代谢途径上高度一致。（5）干旱胁迫下,谷子叶片的生理生化反应和转录组响应、蛋白质组响应在光合作用、信号传导、抗氧化调节、激素信号、转录调控、渗透调节、基础物质代谢等方面形成了一个系统的调控网络。两品种相比较,抗旱品种大毛毛谷（DM）幼苗的强抗旱能力与其体内有效的生物量调配机制、较强的叶片保水能力、较强的渗透调节能力、较低的膜脂过氧化和较强的激素介导的信号转导有关。干旱胁迫能够显著诱导抗旱品种大毛毛谷（DM）叶片内参与叶绿素合成代谢、抗坏血酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、黄酮类化合物代谢和氧化还原代谢中的谷胱甘肽代谢相关的基因表达,并激活游离氨基酸合成及逆境相关蛋白的表达,促进关键代谢物的合成代谢途径,提高渗透调节能力、ROS解毒能力和细胞保水能力。