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非生物胁迫严重影响了作物的生长发育,其中干旱是限制作物产量和品质的主要因素之一,能导致作物新陈代谢异常,生长减缓甚至死亡。通过技术手段和调控措施可以将干旱胁迫对作物的影响降到最小化,并提高其耐旱性。主要包括育种技术、植物激素的外源应用、各种化合物和渗透保护剂的应用以及干旱锻炼。干旱锻炼是指对作物进行减量灌溉或部分灌溉,使幼苗提前适应干旱胁迫。在烤烟生产中,干旱锻炼是一种行之有效的炼苗方法,由于其在提高抗旱性方面的作用,引起了广泛的关注。本研究是在室内控制条件下模拟烤烟漂浮育苗进行。选用三个烤烟品种NC55、红花大金元(红大)和云烟100,研究干旱胁迫下不同品种在生理、解剖、生化和分子水平上的响应,揭示不同品种的干旱响应差异及其抗旱机理。在此基础上,选用红大和云烟100,设置不同的干旱锻炼处理,通过对两个烟草品种的生理生化和关键基因的表达分析,揭示干旱锻炼提高抗旱性的机制。分析的主要参数包括干物质积累、叶片水势、叶绿素含量、叶绿素荧光参数,抗氧化酶活性、渗透调节物质含量,重要代谢通路分析及关键基因的表达分析。主要结果如下:1.生物量与叶绿素含量。干旱胁迫下,红大的鲜重、干重、叶绿素含量下降幅度均小于NC55和云烟100。与正常水分供应下的烟苗相比,NC55、红大、云烟100的鲜重分别下降29%、18%、23%,干重分别下降23%、7%、10%,叶绿素含量分别下降21%、19%、21%。2.叶绿素荧光参数。干旱胁迫严重影响光合效率。本研究发现,干旱胁迫下NC55、红大、云烟100的PSⅡ量子产额分别下降13%、13%和17%,光合效率降低。干旱处理72小时后,非光化学猝灭NPQ值分别增加24%、19%和40%,干旱胁迫已对光合作用机构造成损害。干旱胁迫对红大品种的光合作用影响最小。干旱胁迫72小时后,NC55、红大、云烟100的蓝色荧光参数(BF)、绿色荧光参数(GF)显著增加,分别增加了55%、57%、42%和40%、35%、33%,BF和GF值的增加可能是由叶绿素分解过程中酚类化合物含量增加和叶绿素分解过程中中间化合物积累所致,这可能是干旱胁迫下烟苗光合的适应机制之一。3.抗氧化酶活性与渗透调节物质含量。干旱胁迫下,不同品种的生理响应存在差异。干旱胁迫72 h后,NC55、红大、云烟100的可溶性糖分别增加10%、13%和25%,过氧化物酶(POD)活性分别提高21%、60%和57%,抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性分别提高29%、40%和17%,谷胱甘肽还原酶(GR)活性分别提高9%、20%和5%。NC55和红大中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性分别提高了55%、11%和31%、41%,NC55、红大、云烟100的还原型抗坏血酸(AsA)、还原型谷胱甘肽(GSH)等非酶抗氧化剂含量分别提高19%、7%、13%和45%、23%、47%。干旱胁迫下烟苗启动自身的防御机制以清除体内过多的活性氧和丙二醛,提高烟苗对干旱胁迫的耐受和适应能力。红大受干旱胁迫的影响最小。4.干旱响应转录组与代谢通路分析。转录组分析表明,干旱胁迫下,红大中的差异表达基因(DEGs)最多,其次是云烟100和NC55,NC55、红大和云烟100分别存在567、1061、727个DEGs,去重后统计发现三个品种共有1020个DEGs。NC55、红大和云烟100的差异表达基因多富集于(1)植物信号转导途径,PYL、PP2C、SnRK2、AHP、A-ARR是植物信号转导的关键基因。(2)淀粉和蔗糖代谢途径,UGP、SUS、BAM、HXK、glgc是参与淀粉和蔗糖代谢的关键基因。(3)精氨酸和脯氨酸代谢途径,P5CS、PDH、OAT、ARG1是参与精氨酸和脯氨酸代谢途径的关键基因。与NC55和云烟100相比,红大干旱响应基因多数为上调表达,通过分析烟草幼苗干旱胁迫下差异基因富集的代谢途径,进一步分析干旱胁迫下的分子机制。5.不同烤烟品种对干旱锻炼的响应干旱胁迫的机制有明显差异。试验二进一步从生理生化和基因表达水平上揭示了干旱锻炼影响不同烟草品种响应干旱胁迫的机制。结果表明,干旱条件下植株鲜重(FW)和干重(DW)均降低。与对照相比,经72 h抗旱锻炼(T1)和48 h抗旱锻炼(T2)的红大干旱胁迫后FW分别降低11%、16%,DW分别降低16%、24%;抗旱锻炼(T1、T2)处理的云烟100干旱胁迫后FW分别降低26%、16%,DW分别降低36%、24%。抗旱锻炼通过降低烟苗叶片水势提高保水能力,T1和T2处理的红大干旱胁迫后LWP分别降低了24%、11%,T1和T2处理的云烟100的LWP分别降低了12%、10%,烟苗降低自身水势是适应干旱胁迫的一种机制。6.抗旱锻炼影响了PSⅡ量子产率(QY_Lss)和荧光衰减率(Rfd_Lss),但品种间差异明显。抗旱锻炼对干旱胁迫条件下红大的PSⅡ量子产率(QY_Lss)和荧光衰减率(Rfd_Lss)没有显著影响,但对云烟100的QY与Rfd影响较大。与对照相比,经72h抗旱锻炼(T1)的云烟100品种干旱胁迫后QY和Rfd分别降低7%、3%,经24h抗旱锻炼的T3处理QY和Rfd分别降低9%、6%。抗旱锻炼处理,特别是T1处理显著提高了干旱胁迫下红大品种幼苗叶片的BF值。相反,抗旱锻炼对干旱胁迫下云烟100幼苗叶片的BF值没有显著影响。7.干旱胁迫影响了酶的抗氧化防御系统和渗透调节物质的含量,但在H和Y之间表现出不同的反应:抗旱锻炼影响了干旱胁迫下红大和云烟100的抗氧化酶活性。与对照相比,抗旱锻炼48 h(T2),干旱胁迫后红大的SOD活性提高了16%,抗旱锻炼72 h(T1)和48 h(T2),POD活性分别提高了22%、13%,抗旱锻炼72 h(T1)、48 h(T2)和24 h(T3)POD活性分别提高了21%、4%、11%。抗旱锻炼提高了红大的APX活性,T1、T2、T3分别提高了136%、32%和26%,但对云烟100而言,仅T1处理的APX活性增加了37%,T2、T3处理与对照无显著差异。抗旱锻炼72h(T1)、48 h(T2)提高了红大的AsA和GSH活性,与对照相比,AsA含量分别增加了16%、43%,GSH含量分别下降21%、3%。抗旱锻炼72 h(T1)、48h(T2)提高了红大的脯氨酸含量,与对照相比分别增加77%、23%,但对云烟100而言,抗旱锻炼72h(T1)仅比对照提高了32%。抗旱锻炼72 h(T1)、48 h(T2)提高了红大和云烟100的可溶性糖含量,与对照相比,红大分别增加了69%和107%,云烟100分别增加了37%和125%。结果表明,抗旱锻炼改善了烟苗的抗氧化防御系统,并且通过提高叶片脯氨酸和可溶性糖的含量减轻了干旱胁迫条件下红大和云烟100的氧化伤害,提高了其耐旱能力。8.抗旱分子机理。抗旱锻炼通过促进与干旱胁迫相关的基因的表达来诱导两个品种的耐旱性,(1)脯氨酸和多胺生物合成的关键基因P5CS1和ADC2;(2)ABA依赖的信号通路关键基因(SnRK2、AREB1)和非ABA依赖的信号通路关键基因(DREB2B);(3)干旱胁迫条件下高表达的抗氧化防御系统相关基因(CAT、APX1、GR2)。抗旱锻炼提高了红大和云烟100中各类干旱胁迫响应基因的表达,从而提高对干旱胁迫的适应性。