红花玉兰扦插生根机制及其分子基础研究
作者单位：三峡大学
学位级别：硕士
导师姓名：梁宏伟
授予年度：2022年
学科分类：090706[农学-园林植物与观赏园艺] 0907[农学-林学] 09[农学]
摘 要：红花玉兰因其花色艳丽,花型优美而具有极高的观赏和经济价值,是珍稀园林绿化树种。然而存在繁育困难。扦插、嫁接、压条和分根是当前进行林木无性繁殖最主要的方式,其中扦插因其应用效果好、操作简单、繁殖系数高、管理方便而成为最常用的一种操作手段。然而扦插生根率过低又是限制红花玉兰扦插繁殖最大的难题。若要解决这个难题就需要对红花玉兰扦插生根的机制进行深入的了解,从而针对性的采取应对措施。植物的扦插生根是个复杂多变的生物学过程,想要了解其生根机理需要从多个方面对其研究。本研究从生理生化、转录组分析和内源激素水平三个方面对红花玉兰嫩枝扦插生根的调控机理进行研究。主要结果如下:1.使用3种植物生长调节剂NAA、IBA和IAA,每种三个浓度梯度500mg/L、1000mg/L和1500mg/L,加上清水对照总共10组处理,70天后统计生根率,选取最好处理取样进行后续试验。其中NAA处理生根率高于其他两种植物生长调节剂,平均生根率为32.1%。NAA处理最适浓度为1000 mg/L,生根率可达到49.3%。2.生理生化分析结果表明:新鲜无处理插穗(起始阶段S1a)与植物生长调节剂处理6h(1000mg/L NAA)的插穗(起始阶段S1b)中的可溶性糖与可溶性蛋白含量无显著差异,14天左右基部出现白色凸起的插穗(根原基形成阶段S2)与35天左右开始生长不定根的插穗(不定根伸长阶段S3)中可溶性糖与可溶性蛋白含量较S1阶段插穗显著降低,总体上在扦插生根过程中呈现明显减少态势。插穗中的超氧化物歧化酶(SOD)活性在S1b阶段最强,在S2与S3阶段持续减弱。插穗中过氧化物酶(POD)活性在S1a至S1b阶段大幅度增强,S1至S2阶段持续增强,至S3阶段略有减弱。以上结果说明可溶性糖与可溶性蛋白的消耗有助于红花玉兰插穗根原基的形成与不定根的伸长与生长。相对较高的SOD酶活力有助于扦插起始阶段插穗的存活,POD酶活力增强对不定根的生长发育起促进作用。3.转录组测序分析:所有红花玉兰插穗样品所获得的clean raw reads均达到了4000万条以上;总共组装了186303个Unigene,平均长度为846nt,在NR、Nt、GG、Swiss-Prot、KEGG、COG和Pfam等七个数据库中共有88161条Unigene得到注释,总注释率达到了47.32%。通过差异表达基因分析结果可知,相较于S1a阶段插穗,S1b阶段中有5796个差异上调表达基因,3795个差异下调表达基因;S2阶段中有3205个差异上调表达基因,5248个差异下调表达基因;S3阶段中有4262个差异上调表达基因,6305个差异下调表达基因,它们的差异表达基因大多聚集于激素代谢物、激素信号转导及蔗糖和蛋白质代谢物等和植物扦插生根有关系的通路中。综合了KEGG与GO的基因通路分析结果,筛选出3个与可能与插穗扦插生根过程有关系的差异表达基因Cluster-53.109833(生长素早期响应基因蛋白IAA)、Cluster-53.31619(脱落酸信号转导途径上游受体蛋白PYL)和Cluster-53.95403(赤霉素信号转导途径中负调控蛋白DELLA)。4.内源激素含量分析:S1a阶段插穗与S1b阶段相比,经植物生长调节剂NAA处理的插穗体内IAA、ABA、GA以及Zeatin浓度均显著上升;IAA浓度在S2阶段大幅度下降,至S3显著回升;ABA浓度变化曲线接近IAA;GA浓度在S2较S1b阶段大幅提高,至S3显著下降;Zeatin浓度S2与S1b阶段无显著变化,至S3阶段显著下降至S1a阶段水平。IAA与ABA比值S1阶段无显著性差异,在S2阶段大幅度提高,至S3阶段小幅度降低。以上结果表明植物生长调节剂NAA能显著改变红花玉兰新鲜插穗体内各激素水平,使插穗生根能力增强。IAA/ABA值高有利于根原基形成。参照转录组数据中基因的差异表达推断:在红花玉兰扦插过程中,早期响应基因蛋白IAA表达量显著提升,通过正调控IAA信号通路,提高插穗中IAA浓度,从而促进插穗根的生长;PYL蛋白表达显著降低,通过正调控ABA信号转导,导致插穗中ABA浓度降低,减弱ABA对生根的抑制作用,从而促进不定根的生长。DELLA蛋白表达显著降低,通过负调控GA信号转导,提高插穗中GA浓度,从而促进插穗根不定的生长。以上研究结果为进一步解决红花玉兰扦插繁殖难题奠定了理论基础,也能为红花玉兰树种资源保护和规模化繁育提供参考依据。
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