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甜荞耐旱性鉴定与组学分析

甜荞耐旱性鉴定与组学分析

作者：侯泽豪长江大学

学位级别：硕士

荞麦是蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum spp.）的双子叶粮食作物,主要种植于我国西北、华北、西南地区的高海拔地带和云贵高原山区,水分调控措施的缺乏与灌溉技术的落后导致荞麦种植区常出现季节性缺水,严重影响了荞麦生长发育... 详细信息

荞麦是蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum spp.）的双子叶粮食作物,主要种植于我国西北、华北、西南地区的高海拔地带和云贵高原山区,水分调控措施的缺乏与灌溉技术的落后导致荞麦种植区常出现季节性缺水,严重影响了荞麦生长发育和产量形成。因此,鉴定和筛选具有耐旱性的荞麦种质资源,是选育耐旱新品种,解决该地区荞麦生产现状和增加荞麦产量最为有效的手段。此外,挖掘荞麦耐旱基因,从分子水平深入研究和阐明耐旱机理对于开发和利用荞麦种质资源,培育优质耐受性强的荞麦品种具有重要意义。本次研究利用转录组学与蛋白质组学研究了荞麦幼苗的耐旱生理与分子机理,挖掘耐旱相关基因;此外,通过对80份不同来源的甜荞种质资源进行耐旱性鉴定,筛选耐旱种质,为培育具有优良耐旱性的荞麦品种提供参考信息和理论依据。主要研究结果如下:（1）干旱胁迫对荞麦幼苗的生理生化过程产生了较大的影响,荞麦幼苗子叶的相对含水量（RWC）随着干旱胁迫时间的延长而下降,并伴随有叶片萎蔫卷曲的现象,幼苗子叶中MDA含量的积累量及CAT和POD酶的活性随着干旱胁迫时间的延长而升高,且荞麦幼苗子叶中叶绿素a/b比率和Rubis CO酶的活性在干旱胁迫5天时显著低于对照。这些研究结果表明干旱胁迫下,荞麦幼苗可通过提高抗氧化酶类的活性以消除活性氧（ROS）的积累,且干旱胁迫会导致光合作用能力的降低。（2）转录组学测序分析发现参与光捕获与卡尔文循环的基因其转录本的表达水平显著下降,表明干旱胁迫对荞麦的光合作用反应产生了较大的抑制作用。荞麦地上部与地下部对于干旱胁迫有着不同的响应模式,通过GO与KEGG富集分析发现,荞麦幼苗子叶中的差异表达基因（DEGs）主要与信号传导、激酶活性、DNA修饰作用和氧化还原酶活性相关;荞麦根部的DEGs主要与蛋白质磷酸化、蛋白质修饰及大分子修饰等修饰反应及小分子代谢、蛋白质代谢、碳代谢和磷代谢等生物代谢过程相关;此外,在荞麦幼苗子叶和根部中,转录因子（TFs）对于干旱胁迫也存在着不同的响应模式。（3）通过对干旱胁迫5天的荞麦子叶进行蛋白质组学分析发现,干旱胁迫下的差异丰度蛋白质（DAPs）主要在苯丙酸生物合成、催化活性、蛋氨酸腺苷转移酶活性和铁离子结合等方面发生了显著变化。通过蛋白质互作网络（PPI）分析发现参与苯丙氨酸生物合成与类黄酮生物合成等次生代谢产物相关的14个DAPs与6个与DNA复制与同源重组相关的DAPs在干旱胁迫时呈下调表达,而5个热应激蛋白（HSP）家族蛋白质和1个HSP60分子伴侣蛋白家族/TCP家族成员蛋白质,其表达丰度受干旱胁迫诱导而提高,且与较多的蛋白质发生了互作,可作为提高荞麦耐旱性的候选基因。这些结果表明干旱胁迫下荞麦幼苗可通过提高耐逆相关基因的转录活性以促进相关功能蛋白质的合成,同时降低次生代谢产物合成与DNA复制过程以抵御干旱胁迫。（4）本研究通过建立荞麦萌发期耐旱性鉴定体系,确定了20%的PEG6000高渗溶液是进行荞麦萌发期耐旱性的最适浓度;且相对发芽率、萌发耐旱指数和根长胁迫指数等耐旱性鉴定指标与荞麦萌发期耐旱等级显著相关,可作为荞麦萌发期耐旱性鉴定的有效指标。对80份甜荞种质资源进行了耐旱性鉴定,共筛选得到了耐旱性极强的种质资源3份,耐旱型种质13份;耐旱性较弱种质33份;敏感型种质31份,为荞麦开展耐旱性研究和挖掘耐旱种质提供了理论信息。（5）通过对12份具有不同耐旱性荞麦种质资源的Fe DREB1L基因及启动子进行等位变异分析发现,Fe DREB1L基因存在4种等位变异类型;在Fe DREB1L基因启动子中存在3种等位变异类型,种质资源间的变异主要集中于参与干旱应答的重要启动子区段;且不同耐旱性种质中Fe DREB1L基因与启动子存在不同的组合类型,推测这些变异可能与荞麦种质资源耐旱性强弱的分化有关。

关键词：甜荞耐旱性鉴定干旱胁迫转录组学蛋白质组学等位变异

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甜荞FeSGT1基因克隆及抗旱功能解析

作物学报 2023年第6期49卷 1573-1583页

作者：朱旭东杨兰锋陈媛媛侯泽豪罗旖柔熊泽浩方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025 中国农业科学院作物科学研究所北京100081

SGT1(suppressor of the G2 allele of skp1)作为skp1-4的抑制因子,在植物的非生物胁迫响应中具有重要作用。根据甜荞干旱胁迫下的转录组学和蛋白质组学分析,我们克隆出一个与甜荞耐旱性状相关的候选基因FeSGT1。生物信息学分析表明FeS... 详细信息

SGT1(suppressor of the G2 allele of skp1)作为skp1-4的抑制因子,在植物的非生物胁迫响应中具有重要作用。根据甜荞干旱胁迫下的转录组学和蛋白质组学分析,我们克隆出一个与甜荞耐旱性状相关的候选基因FeSGT1。生物信息学分析表明FeSGT1包含一个1086 bp开放阅读框(ORF),编码361个氨基酸,具有3个(TPR、CS和SGS)保守结构域。进化分析表明,FeSGT1与藜麦CqSGT1(XP_021726759.1)、甜菜BvSGT1(XP_010671588.1)和菠菜SoSGT1(XP_021839743.1)亲缘关系较近。亚细胞定位初步显示FeSGT1蛋白定位于细胞膜上。qRT-PCR分析发现FeSGT1在干旱胁迫24 h内表达呈现上调趋势。在盐、低温(4℃)胁迫和ABA处理下,FeSGT1基因表达在12 h达到高峰,24 h后开始下降。在拟南芥中过表达FeSGT1基因发现,在干旱和盐胁迫下,转基因植株的发芽率、根长、鲜重和存活率显著提高,丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量明显降低,而过氧化氢酶(CAT)活性显著升高。过表达FeSGT1显著增强了转基因拟南芥植株的耐旱和耐盐能力,为深入研究FeSGT1基因调控甜荞抗旱分子机制奠定了基础。

关键词：甜荞 FeSGT1 转基因拟南芥抗旱性

低海拔地区黑苦荞酚类物质含量、组成及抗氧化活性研究

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广西植物 2020年第2期40卷 210-217页

作者：孙坤坤侯泽豪魏淑东方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025 长江大学生命科学院湖北荆州434025

为探究黑苦荞的市场利用价值,该研究选择种植于湖北江汉平原低海拔地区的川荞1号和九江苦荞作为材料,分析苦荞籽粒中游离酚、结合酚、总酚、游离黄酮、结合黄酮和总黄酮的含量,利用DPPH自由基法、ABTS自由基法和铁离子还原抗氧化法(FRAP... 详细信息

为探究黑苦荞的市场利用价值,该研究选择种植于湖北江汉平原低海拔地区的川荞1号和九江苦荞作为材料,分析苦荞籽粒中游离酚、结合酚、总酚、游离黄酮、结合黄酮和总黄酮的含量,利用DPPH自由基法、ABTS自由基法和铁离子还原抗氧化法(FRAP)三种抗氧化测试模型综合评价其体外抗氧化活性,并运用高效液相色谱(HPLC)技术对其酚类物质的组成进行鉴定。结果表明:(1)川荞1号籽粒的总酚和总黄酮含量显著高于九江苦荞,分别为27.38 mg GAE·g^-1 DW、31.46 mg RE·g^-1 DW和12.71 mg GAE·g^-1 DW、14.68 mg RE·g^-1 DW;其中游离酚与游离黄酮含量显著高于结合酚与结合黄酮含量,均占总酚和总黄酮含量的79%以上,且九江苦荞中结合酚和结合黄酮的含量高于川荞1号。(2)苦荞籽粒中酚类物质主要由芦丁、槲皮素、表儿茶素、山奈酚、山奈酚-3-芸香糖苷和槲皮素-3-O-芸香糖苷-3′-O-吡喃葡萄糖苷等黄酮类化合物组成,其中游离酚以芦丁和槲皮素为主,结合酚以表儿茶素和芦丁为主。(3)苦荞籽粒提取物均具有一定的抗氧化活性,黑苦荞川荞1号游离态DPPH、ABTS和FRAP抗氧化能力值分别为30.14、11.03、18.84 mg TE·g^-1 DW,高于九江苦荞,而结合态三种抗氧化能力值低于九江苦荞,但黑苦荞川荞1号总抗氧化能力显著高于九江苦荞。在低海拔地区江汉平原,种植的黑苦荞川荞1号籽粒具有较高含量的酚类物质,符合后续的食品加工的生产要求,市场开发前景广阔。

关键词：黑苦荞游离酚结合酚高效液相色谱抗氧化活性

甜荞FeTCP1基因克隆及胁迫诱导表达分析

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西北农业学报 2021年第7期30卷 1053-1059页

作者：朱旭东熊泽浩徐锐曹艳侯泽豪方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025

以甜荞品种‘西农9976’为材料,基于前期干旱转录组学数据挖掘克隆获得FeTCP1,其有1个1623 bp的开放阅读框,编码540个氨基酸。蛋白质理化性质预测显示,FeTCP1蛋白质的分子质量为58623.75 ku,等电点为5.97,疏水性总平均值为-0.032,属于... 详细信息

以甜荞品种‘西农9976’为材料,基于前期干旱转录组学数据挖掘克隆获得FeTCP1,其有1个1623 bp的开放阅读框,编码540个氨基酸。蛋白质理化性质预测显示,FeTCP1蛋白质的分子质量为58623.75 ku,等电点为5.97,疏水性总平均值为-0.032,属于亲水性蛋白。同源性分析显示,FeTCP1与甜菜、睡莲和罂粟亲缘关系最近,与苦瓜属植物的亲缘性较远,符合植物形态学分类与进化规律。qRT-PCR结果显示,FeTCP1在甜荞根部中的表达量相对较高;受干旱胁迫诱导表达,FeTCP1在甜荞根和叶中出现不同程度的上调,进一步推测FeTCP1基因与甜荞在干旱胁迫下的应答反应有关。

关键词：甜荞 FeTCP1 生物信息学分析逆境胁迫表达分析

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苦荞芽菜游离酚、结合酚及抗氧化活性研究

西北农业学报 2020年第7期29卷 1035-1044页

作者：孙坤坤卢奕霏侯泽豪魏淑东方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025 长江大学生命科学院湖北荆州434025

以苦荞品种‘昭苦2号’籽粒为试验材料,采用高效液相色谱(HPLC)等化学技术研究苦荞芽菜形成过程中多酚物质的含量、组成及抗氧化活性的动态变化,为苦荞芽菜的深度加工提供可靠依据。结果表明,苦荞籽粒萌发到芽菜形成过程中,多酚和黄酮... 详细信息

以苦荞品种‘昭苦2号’籽粒为试验材料,采用高效液相色谱(HPLC)等化学技术研究苦荞芽菜形成过程中多酚物质的含量、组成及抗氧化活性的动态变化,为苦荞芽菜的深度加工提供可靠依据。结果表明,苦荞籽粒萌发到芽菜形成过程中,多酚和黄酮的含量显著升高,总酚和总黄酮含量在萌发2~6 d快速提高,在第6天分别达到109.27 mg/g和137.73 mg/g。游离酚和游离黄酮含量的变化趋势与总酚和总黄酮一致,萌发至第6天分别是萌发前苦荞籽粒的4.08倍和4.53倍。芽菜形成过程中,结合酚和结合黄酮的含量显著提高,但与总酚和总黄酮的比值较小。在苦荞籽粒萌发前后提取物中鉴定出6种黄酮单体,分别为芦丁、槲皮素、表儿茶素、山奈酚、山奈酚-3-芸香糖苷和槲皮素-3-O-芸香糖苷-3′-O-吡喃葡萄糖苷。游离态提取物中主要的黄酮类物质是芦丁和槲皮素,其中芦丁的含量在萌发6~7 d增加缓慢,第6天达到50.80 mg/g,而槲皮素的含量在萌发1 d后不断降低。结合态提取物中主要的黄酮类物质是表儿茶素和芦丁。利用DPPH自由基法、ABTS自由基法和铁离子还原抗氧化法(FRAP)综合评价不同萌发期苦荞提取物的抗氧化活性,发现苦荞籽粒萌发后游离、结合及总抗氧化活性均显著提高。表明萌发至第6天的苦荞芽菜具有更广的市场应用价值。

关键词：萌发抗氧化活性游离酚结合酚高效液相色谱

甜荞资源萌发期耐旱性鉴定体系建立与种质筛选

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干旱地区农业研究 2021年第1期39卷 95-102页

作者：侯泽豪卢奕霏孙坤坤王书平张迎新刘志雄方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025 长江大学园艺园林学院湖北荆州434025

为了探索荞麦萌发期耐旱性鉴定胁迫浓度与鉴定指标,建立甜荞萌发期耐旱性鉴定体系,筛选优异种质资源,以80份不同来源的甜荞种质资源为材料,通过设置不同的PEG6000胁迫浓度(10%、20%、25%和30%),研究了不同干旱胁迫对甜荞种子萌发和生长... 详细信息

为了探索荞麦萌发期耐旱性鉴定胁迫浓度与鉴定指标,建立甜荞萌发期耐旱性鉴定体系,筛选优异种质资源,以80份不同来源的甜荞种质资源为材料,通过设置不同的PEG6000胁迫浓度(10%、20%、25%和30%),研究了不同干旱胁迫对甜荞种子萌发和生长的影响。结果表明:低浓度胁迫(10%PEG6000)对甜荞种子的萌发率和根的生长影响较小,萌发抗旱指数变幅为80.92%~109.31%,对部分品种具有一定的促进作用;随着PEG6000高渗溶液浓度的升高,种子萌发率、萌发抗旱指数、株高和根长等各项指标呈下降趋势,20%PEG6000溶液胁迫下,萌发抗旱指数为50.82%~101.62%,在25%PEG6000溶液胁迫下各品种的萌发抗旱指数均在50%以下,当浓度达到30%时,萌发抗旱指数均在5%以下,显著抑制了种子的萌发,20%PEG6000溶液为荞麦萌发期耐旱性鉴定的适宜浓度;种子的相对发芽率、萌发抗旱指数、相对根长指数和根长胁迫指数4个指标与甜荞耐旱性等显著相关,相关系数分别为-0.92、-0.94、-0.85和0.85,可作为甜荞萌发期耐旱性鉴定的有效指标;通过对80份甜荞种质资源进行耐旱性鉴定,共筛选到耐旱性极强的种质资源3份(3.75%),耐旱型种质13份(16.25%),耐旱性较弱种质33份(41.25%),敏感型种质31份(38.75%)。

关键词：耐旱性鉴定体系耐旱性鉴定指标耐旱种质筛选甜荞萌发期

丁酸钠和5-氮杂胞苷对大麦、水稻、玉米、小麦种子萌发及芽苗期生长的影响

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江苏农业科学 2017年第22期45卷 73-77页

作者：侯泽豪杨飞商水根方汉顺张文英徐延浩长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025 长江大学医学院湖北荆州434025

比较1、10、20 mmol/L的丁酸钠溶液和1μmol/L、50μmol/L、100μmol/L、1 mmol/L、10 mmol/L的5-氮杂胞苷(5-azacytidine,简称5-AC)溶液对大麦、水稻、玉米和小麦等4种作物种子萌发和幼苗生长发育的影响。结果表明,丁酸钠、5-AC处理均... 详细信息

比较1、10、20 mmol/L的丁酸钠溶液和1μmol/L、50μmol/L、100μmol/L、1 mmol/L、10 mmol/L的5-氮杂胞苷(5-azacytidine,简称5-AC)溶液对大麦、水稻、玉米和小麦等4种作物种子萌发和幼苗生长发育的影响。结果表明,丁酸钠、5-AC处理均可抑制种子萌发、植株株高及根长的生长。受害指数分析结果表明,4种作物对5-AC处理较丁酸钠处理敏感。从顶端生长来看,玉米对丁酸钠处理较敏感,大麦对5-AC处理最敏感。丁酸钠对小麦根系数目增加的促进作用最强;低浓度5-AC对玉米根系数目增加的促进作用最强;但高浓度5-AC抑制根系数目的增加。受害指数关联分析结果表明,丁酸钠、5-AC处理对植物顶端生长点与侧向器官发生组织具有不同的影响,说明丁酸钠、5-AC对不同的器官具有不同的表观遗传调控效果。

关键词：禾本科作物丁酸钠 5-氮杂胞苷种子萌发幼苗生长受害指数

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植物花青素生物合成与调控的研究进展

广西植物 2017年第12期37卷 1603-1613页

作者：侯泽豪王书平魏淑东刘志雄方正武长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心湖北荆州434025

花青素是一种广泛存在于植物中的水溶性色素,在植物抗逆和预防人类慢性疾病中起着重要作用。花青素生物合成过程在模式植物中的研究较为清晰,其过程主要受多种结构基因编码的酶类及转录调控因子(MYB、bHLH和WD40蛋白)控制。此外,LBD基... 详细信息

花青素是一种广泛存在于植物中的水溶性色素,在植物抗逆和预防人类慢性疾病中起着重要作用。花青素生物合成过程在模式植物中的研究较为清晰,其过程主要受多种结构基因编码的酶类及转录调控因子(MYB、bHLH和WD40蛋白)控制。此外,LBD基因家族中的LBD37、LBD38和LBD39基因对花青素的生物合成起负调控作用,microRNA和环境因子对花青素的生物合成过程也起到了调控作用。同时,茉莉酸、赤霉素和脱落酸等植物激素也参与了花青素的生物合成调控过程。近年来,随着人们对植物花青素研究不断深入,越来越多的研究结果揭示花青素合成途径的分子调控机制在不同种植物中存在很大的差异性和复杂性。该文对植物花青素的合成途径、相关酶和各种调控因子进行了综述,并概述了植物花青素合成代谢中基因突变与花色变异的关系,旨在为今后深入研究花青素的分子调控机制,解析其遗传规律以及利用基因工程开展作物遗传改良等方面提供理论依据。

关键词：花青素生物合成相关酶调控因子颜色变异

高温胁迫对小麦花药叶绿素质量分数及RuBP羧化酶基因表达的影响

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西北农业学报 2018年第9期27卷 1280-1286页

作者：侯泽豪张迎新王欢孙坤坤方正武马东方张改生王书平长江大学农学院/湖北省涝渍灾害与湿地农业重点实验室湖北荆州434025 中国科学院遗传与发育生物学研究所北京100101 西北农林科技大学农学院/小麦育种教育部工程研究中心陕西杨凌712100

为了揭示高温胁迫下小麦花药叶绿素质量分数的变化规律及与RuBP羧化酶的关系,以正常生长条件下和高温胁迫下不同发育时期的花药(单核后期、二核期和三核期)为供试材料,比较分析小麦花药中叶绿素质量分数、RuBP羧化酶活性及其基因的表达... 详细信息

为了揭示高温胁迫下小麦花药叶绿素质量分数的变化规律及与RuBP羧化酶的关系,以正常生长条件下和高温胁迫下不同发育时期的花药(单核后期、二核期和三核期)为供试材料,比较分析小麦花药中叶绿素质量分数、RuBP羧化酶活性及其基因的表达水平。结果表明,自单核后期开始,高温胁迫下,花药中叶绿素质量分数显著低于相应的对照,并随着花药发育,这种差异幅度不断加大。而相对于叶绿素a、叶绿素b对温度则更为敏感,其变化幅度更为显著;同时在花药发育的整个时期内,处理植株的RuBP羧化酶活性及其基因的表达量也均显著低于对照植株。由此可见,高温胁迫严重破坏花药中叶绿体的光合作用系统,导致花药自养能力丧失且对外来营养物质的加工合成过程受阻,影响花药发育过程中物质供应的短缺,引起花药的败育。

关键词：小麦花药高温胁迫叶绿素 RuBP羧化酶