外源肉桂酸胁迫下豇豆幼苗根系的生理响应和转录组分析

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豇豆(Vigna unguiculata(Linn.)Walp)为重要的豆类蔬菜,广泛种植于世界各地,随着效益农业的发展,一些蔬菜产业化生产基地中由于常年种植豇豆,导致连作障碍问题日益突显。自毒作用是豇豆连作障碍的主要原因之一,肉桂酸作为豇豆主要自毒物质,探究其对豇豆毒害机理,对豇豆连作障碍克服研究及豇豆连作障碍低敏感品种选育工作具有重要意义。本试验以两种自毒作用敏感程度差异品种豇豆特早30号(TZ30)和紫秋豇6号(ZQJ6)为材料,在水培条件下,施用0.2mmol·L-1的肉桂酸处理,测定和分析根系的生理生化指标,并对其转录组进行分析,探讨肉桂酸对豇豆的自毒作用。主要结果如下:1.肉桂酸处理对两种豇豆根系都有明显自毒作用,两种豇豆的总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数均显著下降,但TZ30比ZQJ6降幅小,显较低敏感性。TZ30的平均根系直径升高,无显著性差异;ZQJ6的平均根系直径升高,呈显著性差异,反映出TZ30的敏感性较低,并说明肉桂酸对豇豆根系影响主要在幼嫩根系部位。两种豇豆的根系超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性都显著升高,说明豇豆通过提高抗氧化酶的活性来抵抗肉桂酸的自毒作用,其中TZ30的三种抗氧化酶活性提高程度均高于ZQJ6,说明TZ30对肉桂酸自毒作用的抵抗能力高于ZQJ6。两种豇豆的根系相对电导率均显著增高,根系可溶性蛋白含量均显著下降,说明肉桂酸破坏了豇豆根系的细胞结构,其中TZ30的根系相对电导率增高程度和可溶性蛋白下降程度都比ZQJ6更多,说明TZ30的细胞结构受到的破坏更严重。2.对肉桂酸胁迫下两种豇豆的根系的转录组进行测序和生物信息学分析,发现通过聚类后总共获得382365 Ugenes。对两种豇豆的基因表达量进行统计分析对比发现,在受到0.2mmol·L-1的肉桂酸的胁迫之后,豇豆TZ30中分别鉴定出31691肉桂酸响应的差异表达基因,其中17514个上调表达、14117个下调表达;豇豆ZQJ6中分别鉴定出18898肉桂酸响应的差异表达基因,有13157个上调表达、5741个下调表达。在两个品种的差异表达基因中,有8697个差异表达基因共表达,其中6371个上调表达,2262个下调表达,31个在低敏感品种中上调在高敏感品种中下调,33个在低敏感品种中下调在高敏感品种中上调。将这些差异表达基因在GO,KEGG等数据库中进行功能注释和富集分析。GO注释结果表明,抗性品种的差异表达基因主要富集在氧化还原过程、DNA模板化转录调控等亚类中;敏感品种的差异表达基因主要富集在生物合成过程、细胞氮化合物代谢过程等亚类中。KEGG通路富集分析发现抗性品种的差异表达基因主要富集到内质网蛋白质加工、植物-病原互作等通路中;敏感品种的差异表达基因主要富集到淀粉和糖代谢、氨基酸的生物合成等通路中。将本研究的结果和前人的研究成果相结合,从差异表达基因筛选出64个响应肉桂酸胁迫的候选基因,其中甲基化酶基因蛋白、富脯氨酸蛋白等基因和胁迫及逆境作用相关;成束状阿拉伯半乳糖蛋白、60S酸性核糖体蛋白P0等基因和植物生长发育代谢相关;受体蛋白激酶FERONIA、体细胞胚发生受体类激酶等基因和激素相关;富含亮氨酸的重复受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、三角形五肽重复蛋白等基因和信号传导相关。这些基因是豇豆肉桂酸自毒作用敏感程度相关的候选基因,可为豇豆自毒作用低敏感品种的筛选以及豇豆自毒作用低敏感品种培育提供一定的理论参考。
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