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干旱是严重限制作物生长发育与产量品质的最主要的非生物胁迫之一。棉花作为世界性重要的经济作物,对于非生物胁迫表现出较高的耐受性,但是干旱仍然会对棉花生产造成巨大威胁。根系是与土壤直接接触的器官,最先感受到土壤的水分亏缺。微根系(细根、根毛)是根系中较为敏感与活跃的部分,是植物获取水分的重要器官。但是,目前关于大田作物微根系在干旱胁迫下的形态响应却鲜有报道。本研究在人工气候室内开展两类盆栽试验(自制原位根系观察装置培养法和传统盆栽培养法),以陆地棉(Gossypium hirsutum L.)品种“国欣棉9号”为试验材料,通过控制土壤相对含水量(RSWC)的方法设计正常灌溉(CK,70±5%RSWC)和干旱胁迫(DS,40±5%RSWC)处理。通过调查棉花微根系的形态与生理特征,结合差异蛋白质组学分析手段,以期探明干旱胁迫对棉花地上部发育的影响和微根系形态变化特征及可能的调控机理,分析微根系干旱响应蛋白的分类及功能。研究主要结果如下:1.自制的“植物培养与根系原位观测”一体化装置可满足棉花正常生长发育和根系原位无损观测的需求,能够清晰观察到细根和根毛的形态变化特征。2.干旱胁迫抑制棉株地上部的生长与发育。与CK 比较,DS处理下株高与茎粗在15 DAD(Days After Drought Treatment)出现了显著的降低,叶面积在30 DAD后表现出降低,主茎功能叶的相对叶绿素含量(SPAD值)表现下降,叶片相对含水量降低,下部叶片变黄、萎蔫后发生脱落。3.干旱胁迫抑制棉株主茎功能叶片的光合性能,提高了植株的水分利用效率。DS处理植株的光合气体交换参数(净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度)在30 DAD时均较CK呈现出降低趋势,达到极显著差异水平(P<0.01);叶片瞬时水分利用效率和叶片内禀水分利用效率均在30 DAD和45 DAD时表现为显著的增长(P<0.01),至60 DAD时下降至与CK同水平。4.棉花感受到土壤干旱后,根系变长,直径降低。通过分析自制根系原位观测装置获取的高分辨率根系图片,发现DS处理在处理第9周时细根的根长密度较CK显著增长17.08%(P<0.01),其平均直径于同期出现16.03%的降低(P<0.01),但其根表面积密度的变化并未呈现出规律性。应用传统盆栽培养法获得的总根长、总根表面积和平均总根直径等根系形态特征与之相似。说明原位根系图像法对所见局部细根与传统方法所获总根根系形态对于干旱胁迫的响应趋势具有一致性。5.干旱胁迫加速棉花细根与根毛的死亡进程,促进根毛的伸长。CK处理下细根寿命与其直径表现正相关关系(R2=0.6933),直径越大,细根寿命越长,DS处理下这种关系未发生改变(R2=0.7342),但是细根的寿命均发生缩短。干旱胁迫同样加速了根毛的死亡,与细根相比,根毛寿命较短,但却是最先对干旱胁迫做出响应的部位。不同生育阶段的根毛寿命不同,营养生长阶段的中值寿命较生殖生长阶段更长,CK处理下分别为21 d和14 d,DS处理下则分别缩短至19 d和13 d。干旱处理第2周时,DS处理下根毛长度显著高于CK(P<0.01),并且随着处理时间的延长,两处理下根毛长度的差距逐渐增大,高峰时较CK增加88.01%。6.干旱胁迫不同程度增强了棉花细根的抗氧化酶活性,加重了膜脂过氧化程度,并引发积累渗透调节物质。15 DAD时棉花细根的酶类抗氧化剂活性和非酶类抗氧化剂含量均较CK出现了显著的增长。同时DS处理的MDA含量显著高于CK(P<0.01),H2O2含量于30 DAD后较CK显著升高(P<0.05)。30 DAD时细根内脯氨酸与可溶性糖含量均较CK发生显著增加。7.基于串联质量标记技术,对0 DAD、30 DAD和45 DAD时的CK和DS处理下棉花细根样品进行差异蛋白质组学分析。共鉴定到11,628个蛋白质,其中10,344个蛋白质包含定量信息。基于细根形态与生理生化结果,选择30 DAD和45 DAD作为重点关注时期,以差异倍数变化数值大于1.3倍作为显著上调,小于0.77倍作为显著下调的变化标准,分别于“DS30 vs CK30”和“DS45 vs CK45”比较组中得到223和1273个差异表达蛋白(DEPs)。8.GO注释将DEPs分为生物过程(主要为代谢过程、细胞过程和单一生物过程),细胞组分(主要为细胞、细胞器和细胞膜)和分子功能(主要为结合和催化活性)三类。KEGG通路富集分析发现,“DS30 vs CK30”比较组的上调DEPs主要富集到“角质、木栓质和蜡的生物合成”、“糖鞘脂的生物合成”、“半乳糖代谢”和“戊糖、葡萄糖醛酸转换”通路,下调DEPs主要富集到“单萜生物合成”、“碳固定”和“氧化磷酸化”通路;“DS45 vs CK45”比较组的上调DEPs主要富集到“半乳糖代谢”、“精氨酸和脯氨酸代谢”、“吞噬体”、“淀粉和蔗糖代谢”和“氨基糖和核苷酸糖代谢”等通路,下调DEPs主要富集到“次生代谢产物的生物合成”、“脂肪酸代谢”、“脂肪酸合成”、“萜类骨架的生物合成”和“类胡萝卜素的生物合成”等通路。将DEPs富集到的通路和与逆境响应相关的重要差异表达蛋白进一步分为5个大类:碳水化合物和能量代谢、胁迫和防御反应、脂代谢、植物激素代谢、氨基酸代谢、次生代谢,并针对个别蛋白进行了较为全面的描述和研究,以探知干旱胁迫响应过程中具有较高研究价值的DEPs。上述研究结果将为进一步明确棉花的抗旱机制提供依据,为作物干旱应激调控及抗旱品种培育提供新的思路,同时也可为根系性状的优化改进提供理论指导。