芒耐铬胁迫的生理响应及分子机制

作     者：钟旻依 

作者单位：四川农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张新全;聂刚

授予年度：2020年

学科分类：090503[农学-草业科学] 0909[农学-草学] 0905[农学-畜牧学] 09[农学] 

主      题：铬胁迫 芒 转录组 miRNA 亚细胞分布 

摘      要：随矿产开发和现代工业的不断发展,铬大量应用导致的土壤重金属污染逐渐成为一个严峻的环境问题,影响我国生态安全。芒(Miscanthus sinensis)是一种广泛分布的多年生C4禾草,生物质产量高,具有较高的能源利用价值,能适应多种土壤类型,已被发现是重金属污染矿区的优势植物,是潜在的重要生态修复草种。但目前对于芒如何响应六价铬胁迫的机制尚不清楚。本研究对芒铬胁迫后的生理响应及铬在植株内的富集分布情况进行测定;对铬处理下芒中稳定表达的内参基因进行了筛选;并对不同铬处理时间点的芒根和叶组织进行了转录组测序和miRNA测序,解析其在响应铬胁迫过程中相关分子机制。主要研究结果如下:1.芒对重金属铬的吸收富集规律及生理响应。本研究对铬处理后芒体内各组织积累铬含量及铬的亚细胞分布进行测定。芒主要将铬离子富集在根部,不同组织铬含量表现为根茎叶。根、茎和叶中铬离子在亚细胞水平含量大体均呈现可溶性组分(F2)细胞壁组分(F1)细胞器组分(F3)的分布趋势,但在根中细胞壁与可溶性组分含量相当。铬胁迫下,芒两个品种的根系活力和叶绿素含量随着胁迫时间的延长均表现出下降趋势,说明铬胁迫对芒根系活动及光合作用造成了负面影响。MDA含量在叶片中逐渐升高,而在根中含量变化较小,说明膜脂过氧化程度在叶中高于根中,根系的耐受性更强。2.铬胁迫下芒实时荧光定量PCR适宜内参基因的筛选。通过对甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH),18S核糖体RNA(18S r RNA),肌动蛋白(ACTIN),蛋白磷酸酶2A(PP2A),真核起始因子4a(e IF4a),S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS),S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAMDC),Sb09g019750,Sb02g041180,Unigene33312,Unigene33024和Unigene26576 12个内参基因的综合筛选评价,芒中q RT-PCR表达稳定性较好的内参基因是PP2A和Unigene33024,而ACTIN相对不适合该胁迫下基因表达校正。当需要使用两个及以上内参时,Sb09g019750+Unigene33024是最佳内参组合。3.基于转录组和miRNA研究初步探究芒响应铬胁迫的分子机制。对铬处理后芒不同时间点的根和叶组织进行转录组和miRNA测序,在转录组共组装得到209,429个unigene,其中83,645个为差异表达的基因。WGCNA分析共有六个模块分别与铬胁迫后根和叶相关,其中有五个模块都在谷胱甘肽代谢和ABC转运蛋白的通路显著富集。在铬胁迫后有大量的转运蛋白和金属螯合物合成基因如ST和MT等的表达上调,可能参与铬离子的运输和解毒。SOD和CAT在铬胁迫下的诱导表达,表明植物抗氧化防御系统启动参与抵抗铬的毒害作用。碳氮合成代谢相关酶基因在铬胁迫后表达上调,有利于维持芒生长发育活动正常进行,提高其对铬胁迫的耐性。Small RNA测序后共得到104个已知miRNA,158个新miRNA。根和叶中分别鉴定到了13和45个差异表达的miRNA,根中两个已知miRNA:sbi-miR156a和sbi-miR167a分别靶向SPL基因家族和ARF基因家族,参与植物生长发育和形态建成等过程。在趋势分析中找到一些关键的差异表达的miRNA的差异靶基因:novel＿156/PP2C,sbi-miR167a/ST4.1和novel＿13/ABCB20等可能在芒对铬胁迫的耐受中发挥重要作用。