黄金芽茶树叶色响应光质的生理特性及机制研究

来源 :山东农业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:QQQ16416
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黄金芽是近年来选育成功的光照敏感型黄化茶树品种,叶片呈色主要受光照调控,可全年发生黄色变异。显著的“四黄”(鲜叶、干茶、汤色、叶底均为黄色)特征提高了黄金芽的观赏价值和经济价值。但是黄金芽生长发育过程中易受光照条件的影响发生叶片灼伤,影响叶片呈色及茶叶品质。目前,针对黄金芽叶片呈色的研究主要集中在光强对色素代谢途径的调控上,光质的影响尚未见报道。因此,本研究从光质影响和光受体感知角度探究黄金芽叶片呈色的机制,旨在了解黄金芽叶片黄化的光调控机制,为茶树分子育种提供理论基础;同时为采取合理的光调控措施发挥黄金芽优异品种特性、提高产量提供理论依据。本研究前期通过采用不同色泽的遮阳网和不同波段的LED灯处理黄金芽,研究了光质对叶片呈色、灼伤和光合生理方面的影响;在此基础上,采用转录组测序方法从分子水平探究了不同光谱对黄金芽叶片基因表达水平的调控作用,筛选到与光调控叶色变化密切相关的光系统组分蛋白、光合色素代谢关键酶和光受体基因,同时,选择克隆了重要的光受体基因—光敏色素基因,并进行了生物信息学分析以及在不同光质处理下的叶片表达模式分析。主要结果如下:1、黄金芽具有高度光照敏感性,夏秋季不遮光处理的叶片叶绿素含量低,叶色黄化,但同时茶树光合能力和抗逆能力较弱,易造成叶片灼伤。黄金芽苗期管理以日光合有效辐射为216630μmol·m-2·s-1(70%遮光率处理)对茶树生长最有利;成龄后则以日光合有效辐射为324990μmol·m-2·s-1(55%遮光率处理)最佳,能保证黄金芽叶色黄化,充分发挥品种特色。蓝色遮阳网较黑色遮阳网对黄金芽叶色返绿效果更明显。2、白光处理的黄金芽叶色最黄,蓝光次之。红光处理的黄金芽叶色返绿明显,叶绿素含量显著增加。与白光相比,紫外光处理的黄金芽叶片中光合色素含量、Fv/Fm和ΦPSII明显降低,而NPQ值升高,表现为明显的光抑制。红光下黄金芽叶片的NPQ也显著高于白光,在保护光系统时需要消耗更多的能量。此外,推测白光与红蓝光谱存在较大区别的黄绿光波段能够有效的促进黄金芽叶色黄化。3、与白光相比,紫外光处理的黄金芽叶片中参与光合系统和光合色素合成途径的基因显著下调,从而抑制黄金芽的光合与生长。大量参与植物激素信号转导和苯丙烷代谢途径的差异基因(如IAA、POD、HCT和CAD)显著下调,抑制植物体内促生长激素的信号转导和类黄酮、木质素等次生代谢物的产生。PHY在紫外光照射的黄金芽叶片中显著下调表达。推测紫外光能够通过抑制黄金芽PHY参与的光信号转导,降低次生代谢物含量,减弱抗性,造成叶片灼伤。4、红光对叶绿素含量积累的促进作用主要体现在下调了Chlase等参与叶绿素降解基因的表达,同时上调了参与叶绿素合成的POR和CHLH以及捕光色素蛋白基因LHCA和LHCB的表达,增强了捕获光合色素尤其是叶绿素的能力。红光下可诱导PHY的高表达。推测黄金芽可通过PHY感受并传递红光信号,调控下游叶绿素合成及光合系统基因的表达,促进叶色转绿。5、推测黄绿光能够下调黄金芽叶片中POR和HSP70表达,抑制叶绿素合成和叶绿体发育,从而诱导叶色黄化。黄绿光促进黄金芽叶色黄化的过程中,光敏色素可能也发挥着重要作用。6、成功克隆得到5条CsPHY基因ORF序列,其长度分别为3384、4038、3018、3294和3045 bp,编码1127、1345、1005、1097和1014个氨基酸。CsPHY家族具有6个相同保守结构域,对茶树感受并传递光信号具有重要作用。CsPHY均为酸性不稳定蛋白,亮氨酸占比最高,均无跨膜结构和信号肽。CsPHYA1和CsPHYB2定位于叶绿体,CsPHYA2和CsPHYB1定位于线粒体,CsPHYE可能定位于细胞质基质。α螺旋和无规则卷曲是CsPHY主要结构元件。CsPHY磷酸化主要以丝氨酸形式存在。CsPHYA1、CsPHYA2和CsPHYB1、CsPHYB2分别与猕猴桃PHYA和PHYB亲缘关系较近,CsPHYE与开心果PHYE亲缘关系较近。此外,CsPHY与拟南芥AtPHY也具有较高的相似性,预测CsPHY具有与AtPHY相似的感受并传递光信号的功能,调节下游光诱导基因的表达。CsPHYA和CsPHYB2的表达量在红光照射后明显增加,其中表达丰度更高的CsPHYB2对植物响应红光、促进叶绿素积累的作用更明显。
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