甘蓝型油菜花期低温生理响应及候选基因分析

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甘蓝型油菜(Brassica napus L.)是我国种植面积最大的油菜类型,近年气候异常,倒春寒时有发生,导致此时正处于抽苔、开花结实期的甘蓝型油菜的产量和品质受到严重影响。花期低温对甘蓝型油菜花器官、结实的影响,以及低温胁迫后相关基因的响应还不够清晰。本研究以甘蓝型油菜GZ恢(冬季抗寒性强)和10B(冬季抗寒性弱)为材料,于初花期在人工气候室进行低温胁迫(昼12℃/14h,夜2℃/10h),设置1d、2d、3d、4d、5d共5个处理:正常生长环境(昼22℃/14h,夜18℃/10h)为对照,对叶片,花蕾,雌雄蕊活力开展生理学和细胞学研究,同时利用转录组测序结合q RT-PCR对耐寒基因进行了预测,取得以下研究结果:1.,通过测定苔茎叶和下部叶生理指标。分析结果表明,低温处理后叶片各生理指标变化复杂,超氧化物歧化酶(SOD)两材料处理较对照多表现为无显著差异;过氧化物酶(POD)较为敏感,所有处理表现为升高,且下部叶较苔茎叶增加更多,10B较GZ恢升高幅度大;过氧化氢酶(CAT)两材料表现并不一致,GZ恢苔茎叶CAT活性随着处理时长的增加先升高后降低,但是下部叶仅在处理3d时较对照显著降低,而10B苔茎叶的CAT活性仅处理4d时显著高于对照,下部叶各处理的CAT活性均低于对照。丙二醛(MDA)含量除GZ恢苔茎叶外其余处理较对照均显著增加,10B较GZ恢升高更多。渗透调节物质可溶性糖(SS)含量变化明显,GZ恢显著增加,10B仅在处理4d时较对照显著增加。可溶性蛋白(SP)在两材料处理与对照中均无显著性差异。2.通过对低温处理当天开花朵以及经低温胁迫后恢复的花蕾,进行花粉活力、柱头可授性测定,发现花期低温对当天开放花朵的花粉活力基本无影响,而柱头可授性会大幅度降低。对于遭受低温胁迫后,转入正常环境恢复至开花的花蕾,大于3.0 mm的花蕾在处理4d以下时受到低温的影响较小,花粉活力以及柱头可授性下降的幅度不大,在处理4d以上时才显著降低;而小于3.0 mm的花蕾,随着处理时间的增长,其花粉活力以及柱头可授性逐渐降低(GZ恢1.5 mm-2.0mm花蕾处理3d后花粉活力仅有72.83%,柱头可授性低。10B小于1.5 mm花蕾处理3d后花粉活力仅有63.87%,柱头可授性低),且在处理3d时出现了部分小花蕾死亡,在处理4d以上时小于3.0 mm的花蕾全部死亡。花蕾在遭受低温胁迫时所处发育阶段越早,其开花后雌雄蕊器官活力受到的损伤越重。且花期低温会减少油菜每角粒数,遭受低温时花蕾越小,每角粒数减少越多。GZ恢处理3 d后,小于1.5 mm花蕾所结角果每角粒数为4.67,仅为对照的18.19%;大于6 mm花蕾所结角果每角粒数为23.67,为对照的92.21%。10B处理3d后,小于1.5 mm花蕾所结角果每角粒数为4.33,仅为对照的19.98%;大于6 mm花蕾所结角果每角粒数为17.67,为对照的81.54%。通过用低温处理的花粉授未处理的柱头,以及未处理的花粉授低温处理的柱头,发现两者每角粒数差异不大,说明了低温导致花粉活力和柱头可授性下降二者对授粉结实的影响相当。3.以GZ恢和10B为材料,分别取其处理2d、3d的小于2.0 mm花蕾,取未处理同样大小的花蕾做对照,进行转录组测序。对两材料转录组数据综合分析结果表明:GZ恢对照与处理组差异表达基因4286个,10B对照与处理组差异表达基因4541个,两材料的交集共有1396个差异基因。对这1396个差异表达基因进行GO富集以及KEGG富集,发现大多都注释到光合作用、脯氨酸和精氨酸代谢、昼夜节律、亚油酸代谢等通路。对上述1396个差异表达基因进一步分析,按照基因在处理后的表达量变化规律分为了6组,其中Cluster1、Cluster2、Cluster3中的差异基因表达量变化趋势在两材料中相同。利用在线数据库等提取上述3组差异表达基因的全生育期表达图,最终选定在花药中高表达Cluster2中的基因Bna A08g10990D。Bna A08g10990D被注释到脯氨酸和精氨酸代谢通路的基因。对Bna A08g10990D进行克隆,发现其编码666个氨基酸,在两材料中仅有一个碱基差异,氨基酸序列并无差异。在GZ恢和10B对照中表达量较低,在两材料受到低温胁迫后表达量显著增高。该基因编码蛋白具有一个PLN02439结构域,该结构域与精氨酸脱羧酶有关,在多胺合成中有重要作用,而多胺又与植物抗性以及生殖器官活性相关,表明了Bna A08g10990D可能参与了油菜花期低温胁迫的响应。
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