论文部分内容阅读
无腺体棉花的种子因不含有毒的棉酚及其衍生物而可直接作为人类的食物和非反刍动物的饲料。然而,由于无腺体棉花的植株中的棉酚含量低,对多种逆境胁迫表现敏感而通常不被广泛种植。铬是一种潜在的有毒的重金属,且在植物中基本没有代谢功能。然而,有关铬胁迫对于无腺体棉花影响方面的资料很少。尽管铬的生态毒性意义重大,但与人和动物相比,有关铬在植物表观遗传水平上的遗传毒性机制的信息和认识还很有限。因此,我们的研究还聚焦于不同的有腺体和无腺体棉花近等基因系受铬胁迫下的DNA甲基化和转录组变化,及其相互关系,以了解棉花铬胁迫的分子机制。本研究以四对有腺体和无腺体棉近等基因系为材料,用0、10、50和100μM/L等四种不同浓度的铬处理7 d,系统地研究无腺体和有腺体棉花幼苗的形态学、生物化学、超微组织结构、生理和分子等方面的应答反应。结果表明,随着铬处理浓度的增加,所有基因型的棉花种子萌发率、胚根长度和幼苗的鲜重和干重均显著下降,其中中棉所16和中棉所17受铬胁迫的影响最重。铬的吸收、运转和积累也随铬浓度的增加而增加,且大多无腺体棉花近等基因系的根和叶片中的铬含量高于对应的有腺体棉花近等基因系,但茎中的铬含量则相反。铬处理也影响了不同基因型棉花的营养元素的吸收,其中无腺体棉花近等基因系吸收的营养元素明显多于对应的有腺体棉花近等基因系。铬胁迫还会导致根、茎、叶的超微结构的损伤,使细胞间隙增大、细胞壁加厚、细胞核和叶绿体扭曲、核膜破裂、液泡增大、细胞器受损、电子颗粒密度增加,并严重影响生化功能,导致净光合速率降低。硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）和H2O2随铬处理浓度的增加而显著增加,并显著激活抗氧化酶活性。铬胁迫导致根和叶中编码抗氧化酶的基因的表达的增加,有助于维持抗氧化化合物的活性,且大多数无腺体棉花的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的基因表达与其酶活性呈相似的趋势。本试验结抗氧化酶及其基因表达的结果表明,抗氧化活性可能在保护棉花受铬胁迫下的氧化应激中起主导作用,同时也表明,有腺体和无腺体棉花应对铬胁迫可能具有不同的机制。采用全基因组亚硫酸亚铁测序技术（WGBS）研究了铬胁迫条件下的有腺体和无腺体棉花近等基因系的全基因组DNA甲基化及其基因表达的相关性。尽管无腺体和无腺体棉花之间在铬胁迫条件下的DNA甲基化与基因表达之间的关系尚不清楚,但总体来讲,差异甲基化区域（DMRs）内的总体DNA甲基化水平在铬胁迫下显著增加,特别是CHH。然而,CG甲基化胞嘧啶的百分比较高,m CHH最低。在CHH背景下,所有基因型的启动子区域中的DMR相关基因也较高。转录组分析表明,铬胁迫抑制了棉花各近等基因系的基因表达,中棉所12和TM-1在铬胁迫下的上调表达基因（DEGS）较高,而珂字棉312则无显著变化。综合DNA甲基化和转录组分析结果表明,CHH条件下所有基因型均呈正相关,而CHG条件下则呈负相关,这表明CHG的DNA甲基化与基因抑制有关,而CG具有中等抑制基因表达的作用。本试验结果可以清楚地看出,CHH背景下的DNA甲基化在棉花受铬胁迫条件下的基因上调中起着重要的作用,研究结果同时为了解有腺体和无腺体棉花近等基因系的基因表达的分子机理提供了新的见识,并为耐铬无腺体棉花的育种改良提供了有益的指导。不同的非生物胁迫导致植物毒害,影响了植物的正常生长发育。因此,有必要寻找解毒剂来减轻植物铬胁迫的毒害作用。为此,本试验研究了硫、硅和钙三种矿质元素对有腺体和无腺体棉花铬毒害的解毒作用。结果表明,铬胁迫导到处有腺体和无腺体棉花形态、生理和生化的显著变化,而它们的毒害作用则可以通过加施硫、硅和钙元素而显著减轻。然而,在所研究的三种试验材料中,硫比其它两种元素具有更好的解毒效果。不同基因型之间无机元素的解毒作用存在着明显差异,其中无腺体棉花比其有腺体近等基因系更具有显著的解铬毒害效果。上述结果表明,无腺体棉花比其有腺体棉花近等基因系更耐铬毒害,因此更适合于铬污染环境种植并修复铬污染的土壤。形态生理学超微结构和分子反应可以为了解铬胁迫诱导无腺体棉耐铬胁迫机制提供更全面的认识。