干旱胁迫下红砂幼苗的生理和转录组学分析

作     者：魏晓芸 

作者单位：甘肃农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：单立山

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0829[工学-林业工程] 

主      题：红砂 干旱胁迫 转录组测序 差异表达基因 

摘      要：近年来,全球气温升高,干旱胁迫呈加剧的趋势,植物面临着严峻的威胁。研究植物响应干旱胁迫的形态、生理及转录组学特征,对理解逆境胁迫植物的响应和适应机制以及挖掘抗旱基因具有重要意义。红砂(Reaumuria soongorica)作为中国干旱荒漠地区分布最广的一个植物种,具有很强的抗逆、耐盐、耐瘠薄和集沙能力。本研究采用人工控水的方法,设置对照(CK)、中度干旱胁迫(MS)、重度干旱胁迫(SS)三个处理,通过对干旱胁迫下红砂幼苗形态、生理及转录组学特征的研究,分析在干旱胁迫下红砂的生理响应和差异基因表达,可以明确红砂的分子响应机制,为红砂植被的恢复提供理论依据。主要研究结果如下:1.红砂幼苗在受到干旱胁迫时,通过减缓株高、基径及生物量等生长参数,减少消耗,提高植株保存水分的能力。同时红砂通过增加渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白)减少细胞渗透压,从而保证植物体内水分平衡,以维持其在逆境中的生长发育。干旱胁迫下红砂叶片中可溶性糖含量较高,在根系中脯氨酸和可溶性蛋白含量较高,表明干旱胁迫下红砂叶片中的主要渗透物质是可溶性糖,根系中是脯氨酸和可溶性蛋白。红砂叶片与根系中SOD、POD和CAT活性变化趋势相同,均随着干旱胁迫的加强而显著升高,这表明红砂通过增加保护酶的活性来提高其对干旱环境的适应能力,体现了逆境胁迫下红砂的耐旱生理反应能力。2.红砂的转录组测序共产生155.83Gb原始数据,拼接出Unigenes 110741条,注释到4大功能数据库(Nr、KEGG、COG、Swissprot)上的Unigenes总数为45794个,占总Unigenes的41.35%,还有64947个Unigenes在这些数据库中没有得到注释。通过GO分类将56544个Unigenes归为3个大类49个分支。通过KEGG Pathway富集性分析将9394个Unigenes归为135条通路。SSR分析共获得11509个SSR,其中3核苷酸SSR最多,有7413个;6核苷酸SSR最少,有231个。3.差异表达基因分析显示,红砂叶片与根的上调基因和下调基因数随干旱胁迫的加剧呈整体升高的趋势,叶片中的上调基因数(19438)大于下调基因数(12801),根中的上调基因数(25962)大于下调基因数(20281)。在差异基因中共鉴定出1365个转录因子基因,来自58个家族,主要为C2H2、MYB、NAC、WRKY和ERF。通过KEGG注释分析比较CK～MS和CK～SS两处理间显著差异基因,发现以上基因主要参与碳水化合物代谢(氨基糖和核苷酸糖代谢)、脂质代谢(角质,小檗碱和蜡生物合成)、次级代谢(苯丙烷类生物合成和类黄酮生物合成)、氨基酸代谢(精氨酸和脯氨酸代谢)、信号转导(磷脂酰肌醇信号和植物激素信号)、转录和遗传信息处理(核糖体)生物过程中。综上所述,红砂通过生长、生理及基因调控的协作配合以适应干旱环境。干旱胁迫下红砂感受到缺水信号后,传递并激活相关调控基因,从而引起功能蛋白表达发生变化导致红砂光合作用降低,进一步减弱了碳的同化及代谢功能,最终引起植株生长减缓;持续干旱下细胞失水引起渗透调节基因表达,促使细胞体内渗透物质的含量增加,提高其渗透调节能力;此阶段过氧化信号逐渐增强,促使红砂通过提高抗氧化酶类活性,有效减缓了缺水导致的过氧化伤害。