24-表油菜素内醋诱导油菜耐寒性的生理及分子机制研究

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低温是限制作物地理分布,严重影响作物生长发育、品质和产量的非生物胁迫之一,全球每年因低温灾害造成的农作物损失高达数千亿美元。冬油菜是我国北方重要的油料作物和冬季覆盖作物,其产量受到低温胁迫的严重限制。因此,研究冬油菜的耐寒机制,利用植物激素等提高冬油菜的耐寒性,对于提高产油量和经济效益至关重要。油菜素内酯作为一种新型的植物激素,广泛参与植物的生长和逆境响应过程。目前已有研究报道了BRs在调节植物生长发育过程中的作用,以及对植物非生物胁迫的反应耐受性,但对于BRs缓解油菜幼苗耐寒性方面的研究鲜见报道。本研究以“陇油8号”油菜品种为实验材料,通过叶片喷施24-表油菜素内酯(EBL)研究EBL对低温胁迫下油菜幼苗生长表型、膜脂损伤、渗透调节、光合能力、抗氧化能力的影响;利用RNA-seq技术分析了EBL对低温胁迫下油菜转录组的影响;通过加入Ca2+螯合剂(EGTA)和Ca2+抑制剂(LaCl3)研究Ca2+在EBL调控油菜耐寒性过程中的作用。从基因、生理生化方面分析EBL诱导油菜耐寒性的生理及分子机制,为EBL缓解低温胁迫的调控机制提供新的理论依据。主要实验结果如下:(1)与单独低温胁迫相比,EBL预处理能够降低低温胁迫下油菜幼苗萎蔫程度、MDA含量、相对电导率、Y(NPQ)、NPQ、Y(NO)、ROS含量、DHA含量、气孔保卫细胞H2O2含量,促进脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、光合色素含量、Fv’/Fm’、ETR、Y(II)、qP、气孔孔径、孔径比、CAT活性、POD活性、AsA含量和AsA/DHA均增加以及CPK4、CPK5、ICE、COR、APX基因表达量上调。表明EBL预处理能够缓解低温胁迫对油菜幼苗的损伤,增强油菜的耐寒性。(2)采用RNA-seq技术,在CK vs EL组中鉴定出11335个差异表达基因(DEGs),其中5570个上调、5765个下调;CK vs L组中鉴定出3913 DEGs,其中1826个上调、2087个下调;L vs EL组中鉴定出116 DEGs,其中70个上调和46个下调。GO功能注释表明,这些DEGs主要参与细胞过程、刺激应答和代谢进程,此外还参与膜、抗氧化活性、信号转导等进程。KEGG代谢产物分析表明,DEGs显著富集在糖代谢途径,此外还富集在能量代谢、信号转导、膜转运等通路。利用实时荧光定量PCR技术,挑选10个在转录组中表达差异较大的基因进行验证,其结果与RNA-seq的结果高度相关。(3)为了研究EBL对油菜幼苗耐寒性调控中基因表达的差异,进一步对L vs EL比较组中DEGs进行分析,筛选出一些与光合作用、生物膜系统渗透调节、钙信号、氧化还原、转录因子和转录后调控相关的基因以及一些蛋白和蛋白激酶,EBL能够诱导大部分与光合作用、生物膜系统渗透调节、氧化还原相关的基因上调表达,并引起钙信号转导途径。表明EBL缓解油菜低温胁迫可能是通过诱导钙信号转导途径、提高光合能力、抗氧化能力、物质和能量运输能力、渗透调节能力等途径实现。(4)与EBL+4℃相比,EBL+LaCl3+4℃和EBL+EGTA+4℃处理能够显著增加MDA含量、相对电导率、Y(NPQ)、NPQ、Y(NO)、ROS含量、DHA含量、气孔保卫细胞H2O2含量,促进脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、Fv′/Fm′、ETR、Y(II)、qP、气孔孔径、孔径比、AsA含量和AsA/DHA均降低以及CPK4、CPK5、ICE、COR、APX基因表达量均下调。表明Ca2+参与EBL诱导油菜耐寒性的调控过程。
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