施氮影响羊草秋季地下分蘖芽发生的转录组学研究

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羊草(Leymus chinensis),赖草属多年生根茎型禾草,广泛分布于欧亚草原东部,具有较高的经济价值和生态价值。然而,自然条件下,其有性生殖能力弱、种子产量低,限制了羊草人工草地的建植。羊草种子产量低主要与单位面积生殖枝数量少有关,而生殖枝数量又与秋季果后营养期地下分蘖芽的形成密切相关。因此,探究羊草果后营养期地下分蘖芽库形成的内在机制,就成为解决种子产量低的关键。本研究利用转录组学方法,对比研究了果后营养期前、后,施氮与不施氮条件下羊草分蘖基部基因的表达及调控通路变化,研究结果发现:(1)果后营养期施氮能明显增加羊草地下芽的发生量。施氮条件下,在阈值为q<0.05,且|log2ratio|(|log2例|)≥1,RPKM(每百万reads中来自于某基因每千碱基长度的reads数)>0.3条件下,与芽发生有直接或间接关联的基因上调18399个,下调10732个;而当阈值为q<0.001且|log2ratio|≥1,RPKM≥1时,与芽发生密切关联的基因上调3855个基因,下调1839个基因。通过对比两种不同阈值条件下基因调控通路发现,分蘖芽的发生量与激素代谢中细胞分裂素合成和代谢、初生代谢中多糖的水解和糖酵解能量利用等的相关通路有直接关系。(2)结实期和果后营养期羊草分蘖基部的能量投入和分配权衡是影响地下芽发生的更深层原因。果后营养期与结实期相比,羊草分蘖基部初生代谢和次生代谢均增加,即羊草在果后营养期增加了对芽的形成和分化方面能量投入的同时,增加对次生代谢的能量投入防止昆虫采食等干扰芽的形成和分化。(3)施氮会促进果后营养期与结实期的羊草分蘖基部的初生代谢过程,下调次生代谢过程,即氮素营养较为充分时,分蘖基部分配更多的能量用于产生分蘖,减少次生代谢对不良环境的防御作用,施氮可改变羊草分蘖基部生长和防御之间的权衡关系。本研究尝试从基因调控角度探究羊草地下芽库的发生机制,发现秋季施氮增加分蘖芽的发生与施氮会增加结实期和果后营养期分蘖基部对初生代谢的能量投入,减少对次生代谢的能量投入有关。该研究结果对将来跟进一步采取更精准措施通过调控地下芽的发生提高种子和干草产量提供了科学的理论依据。
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