秣食豆对高原环境胁迫的形态生理响应及内在调控机制研究

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青藏高原平均海拔4000 m以上,植被稀疏,空气稀薄,天然草地的牧草生长缓慢产草量低,牧草供给不足,草畜供给不平衡的现状抑制了当地畜牧业的发展。因此,青藏高原发展优质高产的人工草地是缓解草畜矛盾,保持当地经济发展和生态建设可持续发展的有效途径。目前西藏地区的人工草地种植品种较为单一,多为禾本科牧草,蛋白质含量较高的豆科牧草种类很少。秣食豆(Glycine max)是豆科一年生草本植物,是大豆属的一个饲用类型,牡丹江秣食豆是其中一个优良品种,具有干草产量高、高蛋白、耐阴性强和对土壤条件要求低等优秀特点,主要在我国东北地区种植。平原高产豆科牧草引种到青藏高原后,会出现植株矮小,不能顺利的完成发育期的现象。因此,培育出适宜在西藏高原地区种植的豆科牧草新品种,不仅可以为当地提供优质的豆科牧草资源,还可以有效缓解高原地区天然草地的载畜压力,对维持当地生态平衡重大意义。本研究将在平原地区(黑龙江省哈尔滨市,150m)培育的秣食豆幼苗空运引种至高原(西藏自治区日喀则市,3850m),以在平原地区生长的样品为对照,观测其在高原环境下生长的1、3、5、7 d的叶片组织结构、生理响应及分子机制,探讨平原植物引种到高原环境后的结构适应性变化及内在调节机制,为向高原地区培育或引种优秀新品种提供科学的理论基础。主要研究结果如下:1.秣食豆在引种至高原地区后,气孔开放数量在1 d至3 d持续降低,在3 d较对照降低51.72%,在5 d明显增加,达到与对照相同水平,并在7 d维持稳定。说明秣食豆在初到高原时采用关闭气孔的方式以应对高原环境,但后期逐渐开放,初步适应高原环境。叶片的上、下表皮细胞、栅栏组织和海绵组织在1 d就排列紧密,细胞间隙变小,并在后续的天数保持稳定。2.高原环境下,秣食豆的PSII最大光化学量子产量在1 d有显著的下降趋势,在3 d开始升高,在7 d仅比对照水平降低4.18%。叶绿素含量变化呈现一种先上升后下降再上升的变化,最后达到对照水平。说明秣食豆引种到高原后,光合作用受到阻碍,但后期逐渐恢复。3.秣食豆引种到高原后,植物体内部的生理指标发生了不同的的改变以响应高原环境。丙二醛(MDA)含量、过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2-)含量随试验天数的增加呈波动上升的趋势,并在7 d最高值,较对照上升分别上升约61.25%、47.04%、26.83。可溶性蛋白(soluble protein)含量呈先上升后下降后小幅上升的现象,但仍高于对照水平37.1%;可溶性糖(soluble sugar)含量呈波动上升态势,在7 d达到最大值;脯氨酸(Pro)含量在引种至高原后整体呈下降趋势,并在5、7 d保持定。超氧化物歧化酶(SOD)活性整体呈波动下降的趋势,在7 d达到最低值;过氧化物酶(POD)活性整体呈上升趋势,在3 d略有下降,在5 d显著上升并保持稳定;还原型谷胱甘肽(GSH)含量整体呈先上升后下降最后保持与对照相同的水平。4.利用转录组测序技术,用引种至高原后的3 d、7 d和对照样本构建c DNA文库,共获得513,356,392个原始测序数据,58,129条unigenes。与对照组相比,在3 d有3796个上调基因和4252个下调基因,7 d有6911个上调基因和6732个下调基因。通过KEGG富集分析,差异基因广泛参与丙酮酸代谢途径中的丙酮酸代谢通路,苹果酸代谢通路和乙酰辅酶A代谢通路。转录因子(TFs)分析显示,参与秣食豆适应高原环境的转录因子家族主要有MYB、b HLH、AP2-EREBP和Orphans等。
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