基于代谢组学探索覆盖对油茶果实产量和品质的影响机制研究

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhang_ts
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在没有灌溉条件的山区和丘陵区,由于季节性降雨不均,导致油茶种植地供水不足,产量低。为了缓解季节性干旱给油茶产量带来的影响,本研究采用不同有机覆盖材料对油茶(Camellia oleifera)三个品种(‘华硕’、‘湘林210’、‘衡东大桃’)进行覆盖,并筛选出最佳覆盖处理措施和品种。在此基础上,基于多平台代谢组学(LC-MS、GC-Tof-MS)手段探究季节性干旱条件下油茶果实中种仁代谢变化以及生态垫覆盖对种仁代谢组的影响。运用qRT-PCR验证生态垫覆盖对油茶油脂合成关键酶基因表达变化的影响,同时结合16S rRNA评价生态垫覆盖对油茶土壤微生物群落结构的影响。本研究基于可靠的实验设计,并有两年的研究数据支持研究结果。我们提供了一种在无条件灌溉区域,针对季节性干旱提出了一种可能性方案,并分析了该方案在应用中对树种带来的影响背后存在的机制,这对木本油料相关水资源管理和抗旱措施具有重要的参考价值。基本结果和结论如下:(1)为评价不同有机覆盖对‘衡东大桃’、‘华硕’、‘湘林210’三个油茶品种产量和品质的影响及覆盖措施的保水效果,2016年在湖南长宁进行了田间试验。对生态垫(T1)、秸秆(T2)、秸秆+生态垫(T3)、砾石(T4)、锯末(T5)和茶花壳(T6)覆盖材料进行了试验,并与未覆盖(CK)进行了比较。高温天气降温效果最强的覆盖材料为T2,T3对保持土壤水分最有效。在7月末至8月初连续监测三个品种林分的土壤含水量分别为14.93%、14.98%、14.89%。所有处理均比对照增产,其中‘衡东大桃’、‘华硕’和‘湘林21’0的产量以T1最高,分别比CK高58%、61%和124%。覆盖T1使‘衡东大桃’和‘华硕’的含油率(40.23%和39.63%)最高,覆盖措施T4使‘湘林210’的含油率(36.93%)最高。2017年对‘湘林210’品种进行了T1处理连续监测。结果表明,测量的相关指标与对照组相比有显著性差异。研究表明,在无灌溉条件下,对油茶进行有机覆盖是解决季节性干旱、提高产量的有效措施。(2)采用多平台非靶向代谢组学(LC/GC-MS)技术研究了有机覆盖对种仁代谢的影响。代谢组学分析表明,覆盖处理的酪氨酸、色氨酸、几种酚类代谢产物显著低于未覆盖处理,表明覆盖处理的胁迫水平较低。生态垫覆盖后油茶脂肪酸中油酸,亚麻酸在果实发育阶段均显著高于未覆盖组。但棕榈酸、亚油酸在果实发育初期(7月)不显著相比对照组。qRT-PCR分析表明,脂类合成关键酶基因EAR、SAD、CoHCD对提高油茶产量有正调控作用,而CT、FAD7、FAD8、CoATS1、SQS、SQE、FATB和β-AS对油茶产量有负调控作用。采用相关网络(CN)分析方法,综合本次多组学研究的数据,分析了覆盖处理油茶差异表达脂类合成关键酶基因、差异代谢产物、果实和土壤指标之间的关系。(3)采用GC-Tof-MS评估了季节性干旱条件下种仁发育阶段的代谢特征,并分析了果实近成熟时期,有机覆盖与对照组的代谢差异。结果表明最大代谢差异发生在油脂高速转化期(8-10月),主要涉及11条最相关的代谢途径。另外,有机覆盖后,油茶果实在成熟期相比对照组代谢有显著差异。(4)使用高通量16S rRNA测研究了生态垫覆盖下油茶土壤的微生物群落。结果表明,覆盖减少了土壤微生物的多样性,但不显著。从门水平上,优势菌主要是变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、浮霉菌门,而且有机覆盖影响了变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、拟杆菌门的相对丰度。关联分析表明土壤中p H,种仁代谢类黄酮两项指标与其他指标(果实产量指标、土壤微生物、代谢物)关联性最多,而油茶产量(含油量和冠幅单位面积产量)主要与土壤微生物变形菌门、拟杆菌门以及土壤营养指标显著正相关。有机覆盖改善了油茶土壤的理化性质,引起了土壤细菌中优势菌群相对丰度差异,并改善了土壤微生态环境以促进植物生长。综上所述,在对油茶的这项研究中,假设不同覆盖物能够改善油茶果实产量和品质。通过两年连续的监测发现,不同材料覆盖油茶土壤表层,确实在一定程度上有效改善了季节性干旱对油茶的影响。同时,采用代谢组学进一步验证了覆盖处理与对照组在代谢产物上存在差异。qRT-PCR分析结果也表明覆盖处理后脂质合成通路受到‘干扰’。本文还引入了土壤微生物群落可能会影响植物果实代谢组的概念。总而言之,我们发现土壤微生物群(如变形菌门和拟杆菌门)与果实产量直接存在正相关。同样,在种仁的代谢物(类黄酮、脂肪酸、脂质)与土壤优势菌也存在很强的正相关性。值得注意的是,可能还有其他未知的土壤因素或相互作用(植物和土壤微生物)与观测到的响应有关。
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