基于转录组学的两种基因型蒺藜苜蓿渗透耐受差异分析

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干旱与盐碱胁迫是导致作物减产、品质降低、种子休眠的重要原因,是限制我国作物种植面积、作物产量与品质的自然因素。紫花苜蓿(Medicago sativa)是重要的豆科牧草,被广泛栽培于华北平原,松嫩平原以及西北部干旱、半干旱地区。已有的植物响应渗透胁迫的分子生物学研究对紫花苜蓿耐旱耐盐碱品种改良指导意义有限。而蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)作为与紫花苜蓿进化关系最近的模式植物,用作逆境生物学研究对紫花苜蓿的改良更具有借鉴意义。本研究以蒺藜苜蓿Jemalong A17与R108基因型为试验材料,研究渗透胁迫下其气孔变化、ABA含量和转录组响应,揭示蒺藜苜蓿适应渗透胁迫的生理及分子机制,为今后培育耐盐碱的紫花苜蓿优良品种奠定了基础。主要研究结果如下:1.在渗透胁迫下,采用扫描隧道显微镜下观察其气孔开关变化发现,渗透胁迫处理24 h后,A17与R108叶片气孔均保持张开;在处理后72 h,A17叶片气孔完全闭合,而R108叶片气孔仍然保持张开。2.本研究根据叶片气孔观察结果缩小观察时间,通过超高效液质联用仪测定了A17与R108在渗透胁迫处理24 h内叶片与根部内源性ABA含量的变化。胁迫处理1 h后,A17根部内源性ABA含量显著上升,并持续上升至处理后24 h,而A17叶片在胁迫处理24 h后首次出现ABA含量显著上升;R108叶片及根部在整个处理期间内源性ABA含量变化不显著。3.根据渗透胁迫下A17与R108气孔闭合状态与内源性ABA含量的变化,本研究将渗透胁迫时期划分为渗透胁迫传导期(0-24 h)和适应期(24-72 h),转录组学研究表明,在渗透胁迫下,A17中较R108表达量升高的基因主要富集到核苷结合、具有催化活性与转运体活性这一分子功能(GO注释)中,进一步分析发现主要为编码信号转导功能蛋白的基因、转录后调控与修饰的基因和分子伴侣基因。4.根据时空表达特异性,本文重点关注A17较R108特异性上调的48个基因。在传导期叶片转录组中筛选到2个基因,编码潜在的传感器;在传导期根部转录组中筛选到3个基因,编码潜在的分子功能调节蛋白;在适应期数据中,发现处理后24 h、72 h的叶片与根部转录组中,A17较R108特异性上调8个相同基因,其中4个编码可能的信号传导相关蛋白,而另外4个编码未知功能蛋白;在适应期根部中筛选到1个潜在的具有跨膜结构的受体激酶。5.由于R108在研究中表现出类似ABA信号在A17中滞后的表型,本文将R108在渗透胁迫处理24 h当作A17处理2 h的滞后期。通过比较A17与R108在滞后期表达量共同上调的基因,筛选出潜在的负责信号转导的基因:在滞后期叶片中筛选到11个基因,其中5个注释为编码转录因子或分子伴侣,6个注释为编码蛋白激酶;在滞后期根部中筛选到23个基因,其中8个预测为转录因子或分子伴侣,11个预测为蛋白激酶,而另外4个被注释到了ABA信号通路中。综上所述,本研究细化了蒺藜苜蓿A17与R108在渗透胁迫下ABA与气孔的动态过程,并且转录组数据筛选的结果可以为系统研究豆科尤其是苜蓿科植物响应渗透胁迫提供依据与思路。
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