外源吲哚乙酸对茶树响应镉胁迫的影响

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土地是植物生长与发育过程中非常重要的物质基础,土壤中重金属镉污染能直接影响植物的生长。茶树(camellia sinensis(L.)O.kuntze.)作为我国重要的经济作物之一,主要功能部位是叶片,而茶树根系会吸收富集镉元素,并向地上部有一定的转运,最后富集到新梢部位。当茶园土壤镉含量过多时,茶树体的富集量也会增加,导致茶树生长发育受到严重影响,减少茶叶产量,降低茶叶品质,因此,开展控制茶树生长过程中镉含量水平和降低茶树体对镉元素吸收的系统研究具有重要意义。植物激素是植物体内的信号分子,生长素-吲哚乙酸(IAA)可以促进植物细胞分裂、伸长生长,促进侧根生长,在植物开花和结果上也有积极作用,因此,与植物逆境胁迫息息相关。已有研究证明,植物在镉胁迫下,通过添加外源IAA后,可以促进植物的生长,提高生长量,降低植物对镉的吸收,缓解镉对植物造成的伤害。但是IAA主要应用于模式植物中,能否提高茶树对镉胁迫的抗性,缓解镉对茶树的伤害鲜见报道。本研究以国家级茶树良种湘妃翠的一年生幼苗为实验材料,设置重金属镉为胁迫因子,采用盆栽土培法,研究外源植物激素IAA对镉胁迫下茶树生长的影响,探究外源IAA能否减轻镉对茶树的伤害,为茶树栽培过程中有效控制镉含量提供新思路。通过设置不同的镉浓度(0、30mg·kg-1)和外源IAA浓度(0、2μM和10μM),设计双因素正交试验,对茶树处理90天,通过测定表型指标、生理生化指标以及转录组测序等,主要研究结果如下:(1)当土壤中的镉浓度为30mg·kg-1时,茶树株高与对照组相比显著降低,地径增加量也减少。茶树茎、老叶和新梢叶的抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT和APX)都降低;根中的SOD和POD活性显著降低,CAT和APX活性显著增加。各组织中脯氨酸、丙二醛和镉含量均显著增加。一芽二叶鲜叶的水浸出物、游离氨基酸、可溶性糖、茶多酚和咖啡碱等理化成分呈显著下降,根系IAA含量和根系活力受到显著抑制,说明在此镉浓度土壤中,茶树生长受到了抑制,镉对茶树产生了明显毒害作用。通过施加2μM和10μM浓度的外源IAA,茶树的受害症状得到缓解,生长量提高,根系活力增加,根、茎、老叶和新梢叶中的各抗氧化酶活性提高,鲜叶理化成分含量增加,各组织中镉含量也显著降低,说明外源IAA可以有效减轻镉对茶树的毒害作用,而且10μM的IAA处理效果优于2μM的IAA。(2)当土壤中的镉浓度为30mg·kg-1时,成熟叶片的叶绿素含量和类胡萝卜素显著下降,叶绿素中叶绿素a下降的幅度比叶绿素b大,叶绿素荧光参数Fm、Fv/Fm和Fv/Fo值与对照相比呈显著性降低,Fo值显著增加,光合参数值也与对照存在较大差异。运用透射电镜技术观察叶片和根系的超微结构,发现叶绿体和(或)线粒体结构发生劣变。施加外源IAA后,提高了茶树叶片的光合色素含量、叶绿素荧光和光合作用能力,叶片和根系的叶绿体和(或)线粒体结构也得到一定程度的恢复。(3)根据转录组测序结果,镉处理组共得到598个差异基因,其中有496个是表达上调的基因,102个表达下调的基因;激素修复组共筛选出820个差异基因,其中上调基因103个,下调基因717个。将差异基因注释到GO数据库进行基因功能分类,发现镉处理组茶树差异基因与激素修复组茶树差异基因功能分类情况存在差别,而激素修复组差异基因的GO功能分类出现了细胞自噬和细胞生长负调节,且都是下调。通过KEGG代谢通路富集分析,镉处理组茶树差异基因在硫代谢通路上显著上调,推测参与生长素合成的基因SAUR发挥着负调节作用,胁迫应答基因CDPK显著上调,添加外源激素后,SAUR和CDPK基因均下调。
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