基于RNA-Seq的雌雄蒙古柳耐盐差异表达基因解析

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土壤盐渍化是影响植物生长发育的主要因素,盐胁迫主要通过渗透胁迫、离子胁迫和高p H胁迫对植物造成损害。蒙古柳是一种自然分布于中国东北松嫩平原盐碱地的多年生木本植物,具有耐盐碱、耐干旱、能改良土壤p H值等特点。蒙古柳是典型的雌雄异株植物,且雌雄植株耐盐能力有很大差异,因此探究蒙古柳雌雄植株耐盐能力差异的分子机制对于改良土壤盐渍化至关重要。本研究基于前期对氮素代谢影响蒙古柳种子萌发的研究基础,以野生蒙古柳种子和生长在盐碱地上的多年生野生蒙古柳雌雄植株为实验材料,初步探究蒙古柳雌雄植株盐胁迫响应差异的氮素代谢分子机制,为盐碱胁迫下蒙古柳的分子改良及种苗培育奠定理论基础。具体研究结果如下:1.盐胁迫对蒙古柳雄株的抑制作用强于雌株。蒙古柳雌雄植株体内尿素含量受盐胁迫处理后显著升高,且雄株体内尿素含量显著高于雌株。尿素的积累显著增强盐胁迫对蒙古柳生长的抑制作用,氮素代谢与蒙古柳雌雄植株耐盐性差异存在一定的相关性。2.分析盐胁迫下蒙古柳雌雄植株根部转录组数据,得到27个上调的差异表达基因(盐处理后在雌株中上调表达,雄株中下调表达)和39个下调的差异表达基因(盐处理后在雌株中下调表达,雄株中上调表达)。富集分析结果显示差异表达基因注释到28个GO功能类中,主要参与植物的“氧化还原”、“离子跨膜运输”、“代谢途径”部分。3.qRT-PCR和半定量RT-PCR验证结果表明6个差异表达基因在雌雄植株中的表达结果与转录组数据吻合。其中,赖氨酸合成途径的关键基因DHDPS受盐处理后表达量变化显著,在雌株中上调4.5倍,在雄株中下调2倍。4.通过向盐胁迫处理的培养基中添加不同浓度Lysine,随着Lysine浓度的增加,盐胁迫对蒙古柳种子萌发和幼苗生长的抑制作用不断减弱。蒙古柳幼苗体内尿素和Lysine含量显著降低。赖氨酸合成与分解途径的关键基因AK、DHDPS、LKR、SDH和响应盐胁迫的关键基因NHX1、SOS1、P5CS1和WRKY1的表达水平显著升高。同时,外源赖氨酸添加也明显缓解了盐胁迫对蒙古柳雌雄植株生长的抑制作用,外源赖氨酸可能通过促进蒙古柳体内赖氨酸的合成和分解利用以及尿素的分解,增强蒙古柳对盐胁迫的耐受性。5.赖氨酸合成途径的关键基因DHDPS在蒙古柳雌雄植株的根、茎、叶中均有表达,对Na Cl、NH4Cl、urea、Lysine、GA3、ABA处理均有响应且在雌雄植株中差异表达,在盐和氮素同时存在时,DHDPS在雌雄植株根部也差异表达。综上所述,尿素能够显著增强盐胁迫对蒙古柳生长的抑制作用,外源赖氨酸可能通过促进尿素分解和赖氨酸的分解利用,增强蒙古柳对盐胁迫的耐受性。
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