干旱胁迫对粉葛形态、抗氧化活性的影响及转录组分析
作者单位：江西中医药大学
学位级别：硕士
导师姓名：葛菲
授予年度：2022年
学科分类：1008[医学-中药学(可授医学、理学学位)] 10[医学]
摘 要：粉葛(Pueraria montana ***(Bentham)***)是豆科葛属的多年生藤本植物,具有耐旱、耐寒的特性,但目前对粉葛抗旱性的研究较少,抗旱机制并不清楚。因此,本试验以1年生粉葛幼苗为试验材料,采用盆栽种植模拟干旱胁迫和复水试验,观察、测定叶片形态结构(叶片气孔、解剖结构)、生理生化指标的变化,对干旱胁迫及复水过程中粉葛根进行转录组测序分析。主要研究结果如下:(1)随着干旱胁迫程度的加重,粉葛叶片相对含水量逐渐降低,生物量在干旱前期增加,后逐渐降低;叶片出现卷曲、干枯,甚至脱落等现象,并且茎藤枯萎。复水后叶片反绿,生长旺盛,植物形态与对照组无明显差异。(2)正常环境下,粉葛叶片气孔大部分处在开放状态。随着干旱胁迫程度加重,粉葛叶片下表皮气孔密度、开放率均出现先升高后降低的变化趋势,气孔长度、宽度逐渐减小,恢复浇水后,气孔密度、开放率、长度、宽度等逐渐恢复至正常状态,表明粉葛在干旱胁迫时可通过调节气孔数量、大小、开合度来抵抗干旱胁迫造成的缺水环境,复水后可迅速反应,恢复正常。(3)叶片解剖结构对植物响应环境变化有重要意义。随着干旱胁迫程度加重,粉葛叶片叶肉细胞逐渐变小、紧密排列,栅栏组织杂乱疏松排列;上、下表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度随胁迫加重逐渐下降,在干旱18天时下降至最低,复水后均迅速上升,恢复正常;栅栏组织与海绵组织厚度比在干旱胁迫及复水条件下与对照组无显著差异变化。(4)在干旱胁迫及复水过程中,粉葛叶片和根的抗氧化酶活性有显著变化,MDA含量变化幅度较小。根中的POD活性、SOD活性、CAT活性均高于叶片中的酶活性,说明粉葛根对水分缺水更敏感。随着干旱胁迫程度加重,根中POD活性、SOD活性持续上升,CAT活性逐渐降低,MDA含量呈现先升高后下降的变化趋势;叶片中POD活性逐渐升高,SOD、CAT活性逐渐降低,MDA含量呈现先降低后上升再降低的变化趋势。复水后,根中的POD、SOD活性持续上升,CAT活性先降低后上升,但未恢复至对照组水平,MDA含量先上升后下降,逐渐恢复至正常状态;叶片中的POD活性持续升高,SOD活性、CAT活性和MDA含量逐渐恢复至对照组水平。(5)对粉葛根的转录组测序分析,共获得195.79 Gb clean data,各样品clean data均达到6.01Gb以上;对原始数据进行质控处理后,共得到1310143772条raw reads,测序错误率在0.027%以下。对得到的raw reads进行组装优化后共得到62981条unigene,平均长度为1246.25 bp,122718条transcript,平均长度为1478.06 bp。将获得的unigene与六大数据库(NR、Swiss-prot,pfam,COG,GO和KEGG数据库)进行比对,共有36255条unigene被注释,占总unigene数的57.56%,在GO数据库中unigene主要被注释到结合、催化活性、细胞过程等term中,在KEGG数据库中unigene主要被注释到碳水化合物代谢、翻译、折叠分类和降解等pathway通路中。(6)通过对差异表达基因(Differential Expression Genes,DEGs)的筛选、分析,探讨与干旱胁迫相关的代谢通路和基因。正常发育的对照组之间和干旱胁迫处理组之间的差异表达基因分析表明干旱胁迫对植物的生长发育影响较大,复水后植株能够迅速反应,恢复至正常对照。对照组与连续干旱12天、18天、复水后6天、12天的差异基因数目分别为3363(1090个上调,2273个下调)、5986(2120个上调、3866个下调)、4690(2486个上调、2204个下调)、5281(1925个上调、3356个下调)个DEGs。在干旱18天的差异表达基因数目最多,说明在此时胁迫对植物的影响最显著,有9条KEGG代谢通路被显著富集,主要包括苯丙烷生物合成、淀粉和蔗糖代谢、类黄酮生物合成、植物激素信号转导、MAPK信号通路-植物、α-亚麻酸代谢、氰基氨基酸代谢和亚油酸代谢途径,且DEGs多为基因上调表达。复水12天,共有19条KEGG pathway代谢通路被显著富集,主要包括淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导、苯丙烷生物合成等途径。说明粉葛在干旱胁迫及复水后采取不同的响应机制应对逆境,形成一个复杂的网络调控,并在复水后能够迅速恢复。发现2个CAT相关基因、2个SOD基因、2个GPX基因,6个POD基因在干旱及复水过程均显著差异表达。共鉴定出426个转录因子与干旱胁迫相关,所属28个转录家族,主要与AP2/ERF、MYB、b HLH等转录家族相关。综上所述,粉葛通过对叶片形态变化、抗氧化活性的改变和转录组测序结果来说明了粉葛在干旱胁迫和复
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