【摘要】：氮是植物必需的大量營養(yǎng)元素,作物缺氮會出現(xiàn)老葉黃化、莖稈變細(xì)、植株矮小等現(xiàn)象,進(jìn)而產(chǎn)量降低。我國土壤普遍缺氮,農(nóng)作物產(chǎn)量依靠大量施用氮肥來維持。近年來,我國農(nóng)田氮肥施用量逐漸升高,而氮肥利用率不升反降。大量未被作物吸收利用的氮素?fù)p失到大氣、水體中,造成溫室效應(yīng)、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。探究植物高效吸收、利用氮的分子機制,培育氮高效作物,是提高氮肥利用率,降低氮肥施用量的重要研究方向。甘藍(lán)型油菜(B.napus,AACC,2n=38)屬于十字花科蕓薹屬,是甘藍(lán)(B.oleracea,CC,2n=18)和白菜(B.rapa,AA,2n=20)自然雜交形成的異源四倍體植物,其種子產(chǎn)油量高,營養(yǎng)豐富,是我國種植面積最廣的油料作物。甘藍(lán)型油菜對氮肥的需求量大,但氮利用效率不高。本研究以新型甘藍(lán)型油菜氮高效基因型D4-15和氮低效基因型D2-1為材料,通過多時間點氮饑餓轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析,探究甘藍(lán)型油菜響應(yīng)缺氮脅迫的分子機制及氮高效的機理,主要研究結(jié)果如下:1.甘藍(lán)型油菜響應(yīng)缺氮脅迫的轉(zhuǎn)錄譜通過RNA-Seq數(shù)據(jù)分析得到甘藍(lán)型油菜氮高效基因型D4-15及氮低效基因型D2-1苗期根部、地上部在氮饑餓脅迫各時間點(6 h、24 h、3 d、7 d)的基因表達(dá)譜。在氮饑餓和正常供氮處理間共檢測到24435個差異表達(dá)基因(|log_2(fold change)|1p.adj0.05),其中地上部19097個,根部11106個。氮高、低效基因型D4-15和D2-1間共檢測到17786個差異表達(dá)基因,其中地上部13298個,根部9137個。既在氮處理間差異表達(dá)、又在基因型間差異表達(dá)的基因共8811個,其中地上部6271個,根部2521個。GO富集分析表明:氮處理間差異表達(dá)基因主要富集在含氮有機物合成、多肽及氨基化合物合成等生物途徑;基因型間差異表達(dá)基因主要富集在氧化還原、氨基酸代謝、有機酸代謝、跨膜轉(zhuǎn)運等生物途徑。KEGG富集分析表明:氮處理間差異表達(dá)基因主要富集在光合作用、淀粉及蔗糖代謝、氨基酸代謝及脂肪酸降解等代謝途徑;基因型間差異表達(dá)基因主要富集在芥子油苷生物合成、谷胱甘肽代謝、色氨酸代謝、類苯基丙烷生物合成及酪氨酸代謝等代謝途徑。2.甘藍(lán)型油菜響應(yīng)缺氮脅迫的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)對在氮處理間及氮高低效基因型間均差異表達(dá)的基因,根據(jù)其在D4-15中氮饑餓及正常供氮各時間點表達(dá)模式構(gòu)建權(quán)重共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)(WGCNA)。根部共得到12個模塊,其中6個模塊在D2-1、D4-15間表達(dá)趨勢有明顯差異,主要與核糖體生物合成、糖代謝、脂肪酸降解及有機氮化合物代謝等途徑相關(guān)。地上部共得到13個模塊,5個模塊在D2-1、D4-15間表達(dá)趨勢有明顯差異,主要與氮代謝、谷氨酸合成、丙酮酸代謝、脂肪酸代謝等代謝途徑相關(guān)。選取每個網(wǎng)絡(luò)中連通度居于前十的基因為核心基因,發(fā)現(xiàn)大多為植物激素相關(guān)基因,如介導(dǎo)生長素轉(zhuǎn)運的WAT1、PGP4、IAA26 isoform X1,響應(yīng)赤霉素、脫落酸及油菜素甾醇的GASA1,響應(yīng)赤霉素的DAG2和響應(yīng)脫落酸的LTI65等,表明植物激素在缺氮脅迫響應(yīng)中具有重要的調(diào)控作用。3.甘藍(lán)型油菜響應(yīng)短期及長期缺氮脅迫的基因表達(dá)氮同化、光合作用及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因均響應(yīng)短期缺氮脅迫(6 h、24h)。短期缺氮處理抑制了部分硝酸鹽轉(zhuǎn)運子及銨轉(zhuǎn)運子的表達(dá),參與氮同化的NR、NiR和谷氨酸合酶NADH-GOGAT的基因表達(dá)也主要受到抑制。光合作用中,光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ中部分光能捕獲及能量傳遞相關(guān)的基因表達(dá)被抑制。植物激素代謝與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)同樣受到短期缺氮脅迫的影響。長期缺氮脅迫(3 d、7 d)主要影響了糖代謝、氨基酸代謝及脂肪酸合成等途徑中的基因表達(dá)。長期缺氮脅迫促進(jìn)了淀粉及蔗糖合成途徑中一些基因的表達(dá),糖異生途徑中,地上部PEPCK的表達(dá)量降低,而PPDK的表達(dá)量升高。長期缺氮脅迫促進(jìn)了與谷氨酸積累相關(guān)基因的表達(dá),抑制了與脂肪酸合成與延長相關(guān)的大部分同源基因在地上部的表達(dá)。氮高效基因型D4-15和氮低效基因型D2-1對缺氮脅迫的響應(yīng)存在差異。短期缺氮脅迫中,部分NRT、AMT及NR相關(guān)基因只在D4-15中的表達(dá)受到誘導(dǎo),可能與D4-15更強的氮吸收及同化能力有關(guān)。光合作用中,部分光系統(tǒng)Ⅰ的同源基因只在D4-15中被誘導(dǎo),可能與其更高的光合效率有關(guān)。ABA、IAA、CTK及乙烯合成相關(guān)基因也在二者中表達(dá)模式不同。長期缺氮脅迫中,參與淀粉合成、淀粉分解及蔗糖合成的一些基因僅在D4-15地上部表達(dá)量上升,可能與D4-15更高的干物重有關(guān)。與谷氨酸積累和脂肪酸合成相關(guān)的同源基因在D4-15中受到長期缺氮脅迫誘導(dǎo)表達(dá),而這些基因的表達(dá)在D2-1中沒有被誘導(dǎo),同樣表明了D4-15的抗脅迫能力可能強于D2-1。
【圖文】：

第一片真葉開始變黃，與正常供氮植株相比，氮饑餓植株葉片數(shù)目少，葉片面積較小，根系較長（圖 3.1 D）。圖3.1 甘藍(lán)型油菜氮高、低效基因型響應(yīng)氮饑餓脅迫的表型差異。（A）甘藍(lán)型油菜氮高低效基因型氮饑餓處理6 h的表型差異；（B）甘藍(lán)型油菜氮高低效基因型氮饑餓處理24 h的表型差異；（C）甘藍(lán)型油菜氮高低效基因型氮饑餓處理3 d的表型差異；（D）甘藍(lán)型油菜氮高低效基因型氮饑餓處理7 d的表型差異，D2-1，氮低效基因型，D4-15，氮高效基因型，0 h、6h、24 h、3 d和7 d代表氮饑餓處理時間。Fig. 3.1 Phenotypic variation of two different genotypes of Brassica napus inresponse to N starvation. (A) Phenotypic variation of two different genotypes of Brassicanapus after 6-hour N starvation; (B) Phenotypic

部 13298 個，根部 9137 個。既在氮處理間差異表達(dá)、又在基因型間差異表達(dá)的基因共 8811 個，其中地上部 6271 個，根部 2521 個（圖 3.3 E、F）。圖3.2 各時間點差異表達(dá)基因數(shù)目。（A）各時間點根部氮饑餓差異表達(dá)基因（-N vs+N）；（B）各時間點地上部氮饑餓差異表達(dá)基因（-N vs +N），，D2-1，只在D2-1中差異表達(dá)的基因，D4-15，只在D4-15中差異表達(dá)的基因，shared表示在二者中都顯示差異表達(dá)的基因。6 h、24 h、3 d和7 d代表氮饑餓處理時間。DESeq2，|log2(fold change) | > 1 & p.adj <0.05.Fig. 3.2 Number of differentially expressed genes. (A) Number of differentially expressedgenes in the root after N starvation; (B) Number of differentially expressed genes in the shootafter N starvation, D2-1
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S565.4

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本文編號：2669028