蓖麻子叶出土应答土壤盐逆境的生理机制

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蓖麻(Ricinus communis L.)是大戟科、蓖麻属一年生或多年生草本植物。蓖麻在盐渍、干旱和重金属逆境中均具有较强的适应性,是世界十大油料作物和优质耐盐能源植物。子叶出土阶段生长是植物生命周期中最关键的时期,极易受到外界逆境条件的影响,也关系到植物能否存活。长期以来,人们关注子叶的营养贮藏、转运和光合作用等生理功能,忽视了其在子叶出土阶段抵御逆境胁迫过程中的作用,另外,根是感应盐胁迫的首要部位,对植物适应逆境同样尤为重要。而在盐胁迫下,蓖麻子叶出土应答土壤盐逆境的生理机制尚不明确。基于此,本研究利用生理学、转录组学和代谢组学技术对蓖麻子叶和根的生理机制进行了系统分析,并考察耐逆过程中的相互关联,为进一步深入探讨蓖麻抗逆分子机理以及新品种的选育等提供科学依据。研究结果表明:(1)盐胁迫下蓖麻子叶和根的生物量均显著降低(P<0.05),并且根的鲜重和干重下降幅度更明显,同时根长和根分叉数相比与对照组分别增加1.12、1.23倍,根系直径则从0.43降至0.4 mm。子叶光合生理和叶绿素荧光参数也受到盐胁迫的影响。与对照相比,胞间CO2无显著差异,而蒸腾速率、气孔导度和净光合速率分别下降了7.32、10和2.67倍。叶绿素a和叶绿素b含量分别下降了21.74%和25.00%。在盐胁迫下蓖麻子叶φPSII和qp分别降低24.14%和27.08%,NPQ增加63.64%。因此150 m M盐胁迫抑制了蓖麻子叶的光合作用和根系活力。(2)渗透物质的积累是蓖麻适应盐胁迫的策略,盐胁迫下蓖麻子叶和根中丙二醛是对照组的2.23、1.54倍(P<0.05),脯氨酸含量分别升高7.34、1.82倍。子叶中可溶性糖含量显著降低18.62%,根中未发生显著变化。蓖麻子叶和根中Na+含量显著增加(P<0.05),K+含量在子叶中增加1.23倍,在根中降低了64.51%,因此根系Na+/K+高于子叶。抗氧化物酶中超氧化物歧化酶(SOD)在子叶和根中活性均增加,子叶中抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性分别下降16.67%、36.36%和27.06%,根中APX、CAT和POD活性均增加,盐胁迫对蓖麻根系POD活性增加了1.1倍。(3)本研究利用高通量测序技术对子叶和根的差异基因进行分析,结果发现盐胁迫下,子叶中有1580个差异基因,其中880个基因上调,700个基因下调。差异基因主要富集在植物激素信号转导、雌激素信号通路、抗原处理和呈递等通路上。根中有1502个差异基因,其中732个基因上调,770个基因下调。差异基因主要富集在戊糖和葡萄糖醛酸间转换、苯丙素生物合成、淀粉和蔗糖代谢和植物激素信号转导等通路上。其中植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢和精氨酸和脯氨酸代谢这三个通路,在子叶和根中均显著变化。结果表明蓖麻子叶出土过程中在盐胁迫刺激下,通过植物激素双向调节激素信号通路,调节糖代谢相关酶的活性,精氨酸和脯氨酸代谢途径积累氨基酸,进而调节碳分配,提高蓖麻子叶和根对盐胁迫的适应性。(4)利用液相色谱(LC)结合电喷雾电离飞行时间质谱(ESI-TOF-MS)对子叶和根进行了代谢物分析。主成分分析(PCA)结果表明,盐胁迫下子叶和根中的代谢产物存在很大差异。子叶中包含38种差异代谢物,主要包括脂肪酸、核酸和有机酸,而根中仅有19种差异代谢物,主要包括脂肪酸和有机酸。此外,京都基因和基因组百科全书(KEGG)途径富集分析表明,黄酮和黄酮醇生物合成、泛酸和辅酶A生物合成、柠檬酸循环和类胡萝卜素生物合成是子叶和根在盐胁迫下的共同代谢途径。上述结果揭示了蓖麻在盐胁迫下子叶和根系代谢产物的变化,并证实,蓖麻子叶和根可以调整碳分配策略,重新规划多种代谢途径,并转移到子叶和根中积累不饱和脂肪酸,以提高其耐盐性。此外,子叶中的氨基酸和核酸谱发生了特异性变化,在盐胁迫下,根可以特异性地提高抗氧化酶系统清除活性氧的活性。
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