论文部分内容阅读
玉米作为我国主要的粮食和经济能源作物,对我国粮食生产安全有着极其重要的作用。盐胁迫作为影响玉米生产的主要非生物胁迫之一,严重时可造成玉米大面积减产。因此,利用分子生物技术研究玉米耐盐机制及外源物质缓解盐胁迫的分子机制对今后玉米耐盐基因挖掘与克隆以及外源调节物质的生产应用具有重要意义。本研究对27份玉米自交系进行了耐盐性评价,并采用外源茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate,Me JA)和2,4表油菜素内脂(2,4-epibrassinolide,EBR)研究了其对不同玉米自交系盐胁迫的缓解作用,并筛选出最佳缓解浓度。此外,探究了两份自交系在不同外源激素的最佳缓解浓度下的缓解响应,并利用转录组学和代谢组学剖析了其对盐胁迫的响应机制及外源激素缓解玉米盐胁迫的缓解机制,为培育耐盐新品种及应用外源激素奠定基础。本研究的主要结论如下:1.通过采集27份玉米自交系的苗长、根长、地上部鲜重、地下部鲜重及一些抗氧化酶和根系相对电导率等指标,采用模糊隶属函数法对其进行耐盐性评价分析,筛选出高度耐盐玉米自交系5份、耐盐玉米自交系7份、中度耐盐玉米自交系11份、盐敏感玉米自交系4份。此外,采用筛选所得的盐敏感自交系N192对其进行外源激素最佳缓解浓度的筛选,结果发现当外源Me JA的浓度和外源EBR浓度分别为1umol/L和0.01mg/L时可有效缓解盐胁迫对玉米自交系所造成的损伤。2.在外源激素缓解玉米盐胁迫的生理响应中发现,在盐胁迫下,两自交系的根系结构均出现了变化,如盐敏感自交系N192表皮细胞和皮层薄壁细胞出现一些无规则形变,皮层薄壁细胞层数增多,且内皮层与对照相比出现马蹄形增厚现象,后生木质部导管数量增多,直径减小。施加最佳浓度的外源Me JA和EBR后,两自交系各指标与盐胁迫相比总体呈上升趋势,且在两自交系间上升程度存在差异,N192各指标在激素处理下的升高趋势更为明显。同时,齐319和N192的根系表皮细胞和皮层薄壁细胞与盐胁迫相比,细胞呈规则排列,且内皮层细胞紧密排列,厚度变窄,后生木质部导管数量减少,表面积增大,均出现了缓解现象。3.不同处理下,两自交系根系和叶片中内源激素的变化情况如下:在盐胁迫下,两自交系叶片和根系中ABA的相对含量与对照相比出现上升趋势,IAA和GA的相对含量呈现下降趋势。施加外源激素后,两自交系叶片和根系中ABA、IAA和GA的相对含量与盐胁迫趋势相反,表明施加外源Me JA和EBR后会通过介导其他激素的生物合成,进而达到缓解玉米幼苗在盐胁迫下的生长发育。此外,本研究还发现在盐胁迫下,相对于对照而言,耐盐自交系齐319的叶片和根系中保持了较高的内源IAA和GA含量,这可能也是其耐盐性较好的一个原因。4.转录组学分析表明,以FDR=0.05且FC=1.5为差异表达基因(DEGs)的筛选标准,在盐胁迫下与对照相比,两自交系间分别筛选到7455和6354个DEGs,且与敏感自交系N192相比,耐盐自交系齐319中有更多上调的DEGs。而施加外源单激素后,与盐胁迫处理相比,盐敏感自交系中上调DEGs高于齐319,表明施加外源单激素后可以改变N192中基因的表达模式来抵御盐胁迫。此外,在盐胁迫下,以|log2FC|>2为筛选标准在两自交系中共筛选到108个均差异上调的基因,其KEGG注释主要包括柚皮素3-双加氧酶、几丁质酶、吲哚-3-甘油磷酸合酶、茉莉酸O-甲基转移酶、水杨酸3羟化酶、磷酸烯醇式丙酮酸、细胞色素P450家族、KUP系统钾摄取蛋白等。以|log2FC|>1.5为标准在两自交系间共筛选到25个表达趋势相反的差异基因,由其KEGG注释可知,25个差异基因的KEGG注释主要包括亚油酸9S-脂氧合酶、莽草酸O-羟基肉桂酰基转移酶、液泡铁转运蛋白家族蛋白、铁氧还蛋白、过氧化物酶、脂氧合酶和肉桂酰辅酶A还原酶等。5.盐胁迫下施加单外源激素后,对两自交系在单激素处理下共同上调的30个差异基因的生物学过程GO和KEGG注释进行了分析。结果指出,30个差异基因注释主要包括苹果酸脱氢酶、β-淀粉酶、Ca2+:H+逆向转运蛋白、细胞分裂蛋白酶Fts H、HSP20家族蛋白/17.5 k Da II类热休克蛋白、热休克70 k Da蛋白1/2/6/8、肌醇3-α-半乳糖基转移酶和β-胡萝卜素3-羟化酶等。6.代谢组学分析表明,以P-value=0.01,VIP=1为筛选标准对筛选到的差异代谢物进行了KEGG分析,结果表明,与对照相比,在盐胁迫处理下两自交系差异代谢物的KEGG注释为氨基酸的生物合成、硫代葡萄糖苷生物合成、甘油磷脂代谢、α-亚麻酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和色氨酸代谢等,其共同富集到的通路为酪氨酸、亚油酸、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、柠檬酸循环和乙醛酸和二羧酸代谢等。研究推测在盐胁迫下两自交系通过促进氨基酸的代谢、增强TCA循环和乙醛酸等来抵御盐胁迫。在盐胁迫下,施加外源激素后,两自交系不同比较组差异代谢物的KEGG的注释主要为植物激素信号转导、ABC运输、氨基酸代谢途径、2-氧羧酸代谢、脂肪酸代谢和氨基酸生物合成,而差异代谢物富集到的显著通路为类黄酮生物合成、花生四烯酸代谢、倍半萜和三萜生物合成、玉米素生物合成、嘧啶代谢、氨酰-t RNA生物合成、次级代谢物的生物合成、氨基酸代谢、硫代谢和糖酵解/糖异生。