基于生理和转录组学分析黄瓜生长对干旱胁迫和复水的响应机制研究

来源 :陕西理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:sishenzhichi
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黄瓜是一种重要的蔬菜作物,然而随着全球气候变暖及人类活动的加剧,黄瓜栽培中遇到的干旱问题日趋严重,干旱胁迫成为影响黄瓜产量和品质的重要环境因素之一。在轻度、极度干旱和复水条件下黄瓜幼苗在生理和转录水平的响应机制国内鲜见报道。因此,本研究以金瓜王F1黄瓜幼苗为试验材料,采用温室盆栽试验,测定对照(2 d浇一次水)、干旱(5 d浇一次水)和极旱处理(不浇水)条件下黄瓜幼苗的生长指标及生理生化指标,阐明干旱胁迫影响黄瓜幼苗生长的生理生化机制。为了研究有限水分亏缺下复水是否对黄瓜幼苗生长和生理生化特性具有补偿作用以及补偿效应的强度,设置对照(2 d浇一次水)和干旱复水处理(前期不浇水,后期2 d浇一次水),分析干旱胁迫后复水对黄瓜幼苗生长补偿效应的生理生化机制。利用Illumina二代高通量测序平台(Hi SeqTMM 2500/4000),采用DESeq方法进行基因差异表达分析,采用GOseq软件对差异表达基因进行功能富集分析,利用京都基因和基因组百科全书数据库(KEGG)和KOBAS软件对差异表达基因进行通路富集分析。研究主要结果如下:(1)不同程度干旱胁迫均降低了黄瓜幼苗的叶面积、株高、茎粗、主根长及地上部生物量,随着干旱程度的加剧,黄瓜幼苗叶片的相对含水量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和叶绿素含量等生理指标进一步降低;(2)干旱胁迫导致了黄瓜幼苗叶片中丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量的累积,同时也增强了超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的活性;(3)与极旱处理相比,复水处理能有效缓解叶面积、株高、茎粗、主根长及地上部生物量等生长指标的显著降低,但这些生长指标仍无法恢复到对照处理水平,然而复水处理使得光合速率、蒸腾速率和气孔导度能够恢复到对照处理水平;(4)极旱复水使得黄瓜幼苗叶片中MDA、Pro、AsA和GSH含量以及SOD和POD活性降至对照处理水平,在一定程度上缓解了干旱胁迫带来的伤害;(5)通过DESeq方法对基因进行差异表达分析,与对照处理相比,干旱处理导致了黄瓜幼苗叶片753个基因差异表达(|Foldchange|≥2.0且p<0.05),其中上调表达基因487个,下调表达基因266个,表明干旱胁迫显著影响了黄瓜幼苗叶片中基因的表达;(6)GO注释显示,对照和干旱处理黄瓜幼苗叶片中差异表达的基因主要参与了化学刺激反应、前体代谢产物和能量的产生和氮素利用等生物过程以及核酸结合转录因子活性、DNA特异性序列结合转录因子活性和转移糖基转移酶活性等分子功能;KEGG通路富集分析显示,这些差异表达基因主要涉及次生代谢物质的合成、光合作用、碳的固定和苯丙烷类代谢等代谢通路。以上结果表明,干旱胁迫对黄瓜幼苗生长造成了伤害,可能引起了糖代谢、氮素利用、代谢物的生物合成以及光合作用等过程的改变。干旱后及时复水能有效缓解前期干旱胁迫对黄瓜幼苗生长发育的负面影响,具有一定的补偿效应,但其补偿强度不足以弥补前期干旱胁迫对黄瓜幼苗生长发育的阻碍,对植物的补偿效应具有局限性。
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