鋁毒害是全球面臨的最大林業(yè)問題和環(huán)境問題。杉木是我國南方最重要用材樹種之一,也正面臨著鋁的毒害作用。鋁毒害的早期癥狀主要是抑制植物根系伸長,影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收,進而影響木材的產(chǎn)量與質量。近年來,涉及杉木鋁毒害的生理方面的研究已見報道,由于缺乏基因組序列信息,對這些生理過程背后所蘊含的分子機制尚不清楚,而且結合離子水平和轉錄水平來研究杉木鋁毒害還尚未見報道。鑒于此,本研究以杉木無性系為實驗材料,借助非損傷微測技術以及轉錄組測序等生理生化和分子生物學手段,研究了鋁脅迫對杉術無性系地上、地下部分6種礦質元素吸收的影響、鋁脅迫對杉木無性系葉綠素熒光特性的影響、鋁脅迫對杉木無性系根系4種離子吸收過程的影響以及杉木無性系根系轉錄組對鋁脅迫的響應；挑選了三個代表性的基因,利用實時熒光定量PCR技術,研究了不同鋁脅迫時間下這三個基因的表達差異,以期揭示杉木根系響應鋁脅迫的分子機制。此外,本研究還從轉錄組數(shù)據(jù)庫中篩選出與元素相關的差異表達基因,并對其進行了初步的分析。以期為培育杉木耐鋁毒能力強的品種提供理論依據(jù)和實踐基礎,擴展和充實杉木鋁毒害領域的研究,為南方酸性土壤環(huán)境下生長的杉木林業(yè)生產(chǎn)實踐提供科學依據(jù)和理論指導。主要研究結果如下：(1)對地下部分而言,不同鋁脅迫濃度對杉木無性系磷、鉀、鋁含量的影響最大,而不同鋁脅迫時間對鈣、鎂、鐵含量的影響最大;對地上部分而言,不同鋁脅迫濃度對杉木無性系鋁含量的影響最大,而其它元素的影響不明顯。(2)不同鋁脅迫濃度及不同鋁脅迫時間影響了杉木無性系葉片葉綠素熒光參數(shù)Fo、Fm、 Fv、Fv/Fm的變化。隨著鋁脅迫濃度的增加及鋁脅迫時間的延長,杉木無性系苗葉綠素熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv、Fv/Fm也隨之發(fā)生相應的改變�？傮w上來說,隨著鋁脅迫濃度的增加及鋁脅迫時間的延長,杉木無性系苗葉綠素熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv在短時間鋁脅迫下均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢,隨著脅迫時間延長到8 h之后,杉木無性系苗葉綠素熒光參數(shù)F。呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,而Fm、Fv則呈現(xiàn)先略有增加再降低的趨勢；而對Fv/Fm來說,隨著鋁脅迫濃度的增加,該參數(shù)在短時間(4 h之內(nèi))鋁脅迫下基本維持在0.85左右,隨著鋁脅迫時間的進一步延長,Fv/Fm值在低濃度(0.5 mmol·L-1和1 mmol·L-1)的鋁脅迫16 h之后才出現(xiàn)降低的趨勢,而在高濃度(2 mmol·L-1和4 mmol·L-1)的鋁脅迫8 h后就已經(jīng)出現(xiàn)降低的趨勢。(3)不同鋁脅迫濃度及不同鋁脅迫時間影響了杉木無性系根系對H+、K+、Ca2+和Mg2+離子流的吸收。隨著鋁脅迫濃度的增加,不同鋁濃度脅迫1h后對杉木無性系苗根系H+、K+、Mg2+的影響最大,對Ca2+的影響較�。黄渲蠬+由內(nèi)流逐漸變?yōu)橥饬�；K+外流變化幅度較大；Ca2+在1h鋁脅迫后全為內(nèi)流,在長時間的鋁脅迫下由內(nèi)流變?yōu)檩^大的外流。隨著鋁脅迫濃度增加,不同鋁濃度脅迫32 h后對杉木無性系苗根系H+、Ca2+、Mg2+的影響較大,對K+的影響相對較�。黄渲蠬+由內(nèi)流逐漸變?yōu)橥饬?K+由外流變?yōu)檩^小的內(nèi)流,Ca2+在32h鋁脅迫后由內(nèi)流變?yōu)橥饬髑型饬髁魉僦饾u減小,Mg2+全為外流但是流速變化較大。總之,隨著鋁脅迫濃度的增加及鋁脅迫時間的延長,杉木無性系苗根系H+由內(nèi)流逐漸變?yōu)橥饬�；心外流變化幅度較大,長時間的鋁脅迫K+外流減�。籆a2+在1h鋁脅迫后全為內(nèi)流,在長時間的鋁脅迫下由內(nèi)流變?yōu)檩^大的外流；不同濃度的鋁脅迫對Mg2+的影響最大。(4)以杉木無性系為實驗材料,利用Illumina HiSeqTM2500測序平臺對鋁脅迫對杉木無性系根系轉錄組水平的影響進行了研究,分別脅迫1 h、4 h、8 h、16 h和32 h后取樣,提取總RNA,然后將對照組的15個總RNA樣品和鋁脅迫組的15個總RNA樣品分別按照等質量混合構建兩個cDNA文庫,上機測序后,兩個杉木根樣品轉錄組測序共產(chǎn)生24.23 Gb數(shù)據(jù),組裝獲得118761條Transcript和66977條Unigene,分析得到28655個SNP和2439個SSR標記。本試驗使用EBSeq軟件進行差異表達分析,共獲得3246個差異表達基因,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)鋁脅迫處理組與對照組的杉木根樣品相比有1856個上調(diào)基因和1390個下調(diào)基因發(fā)生差異表達。對差異表達基因進行功能、代謝以及調(diào)控途徑分析,從整體上掌握了鋁脅迫相關差異基因的表達模式。結果表明當杉木無性系根系遭受鋁毒害時,杉木無性系根中與鋁脅迫緊密相關的生物過程、分子功能、細胞組成等都有明顯的響應變化。鋁脅迫后杉木根中有大量基因發(fā)生差異表達,涉及到了氨基酸轉運和代謝、碳水化合物的運輸和代、無機離子的運輸和代謝、次生代謝產(chǎn)物合成、運輸和分解代謝等多條代謝途徑,同時伴隨著能量的代謝,為杉木抵抗鋁脅迫帶來的損害而進行一系列生理生化反應提供能量。(5)鋁脅迫對杉木根中三個基因的表達產(chǎn)生了不同的影響：鋁脅迫顯著誘導了Cl-TSJT1基因在杉木根中的表達,鋁脅迫16 h達到最高表達；鋁脅迫8 h顯著誘導了ClCa-uptakel基因的表達；鋁脅迫顯著抑制了ClPt1基因在杉木無性系根中的表達,鋁脅迫8 h已經(jīng)明顯抑制ClPt1基因的表達。(6)鋁脅迫下杉木根轉錄組中與鉀相關的差異表達基因主要有26個,其中16個上調(diào)表達,10個下調(diào)表達；與鈣相關的差異表達基因主要有13個,其中9個上調(diào)表達,4個下調(diào)表達；與鎂相關的差異表達基因主要有18個,其中12個上調(diào)表達,6個下調(diào)表達；與鐵相關的差異表達基因主要有19個,其中14個上調(diào)表達,15個下調(diào)表達：與鋁相關的差異表達基因主要有33個,其中10個上調(diào)表達,23個下調(diào)表達；與磷相關的差異表達基因主要有8個,其中5個上調(diào)表達,3個下調(diào)表達。綜上可見,不同鋁脅迫濃度及不同鋁脅迫時間使得杉木無性系地下部分鋁、鎂含量增加,鉀、鐵含量減少,鈣的變化不明顯；地上部分鋁、鎂含量增加；鉀、鐵、鈣的變化不明顯。而從離子流的變化分析來看,鉀、鈣與鎂離子流的變化情況正好與此結果相符。從轉錄組學分析結果可知,鋁脅迫下杉木無性系根中有大量基因發(fā)生差異表達,涉及到無機離子的運輸和代謝以及能量的代謝,也進一步說明鋁脅迫影響了杉木無性系根系的各種無機離子的吸收與積累。以上研究可為繼續(xù)開展杉木鋁毒害的相關研究提供理論基礎。
【學位單位】：福建農(nóng)林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：S791.27;X171.5
【部分圖文】：

當鉛脅迫濃度為０．５邋ｍｍｏＨ／ｉ時，隨著鉛脅迫時間的增加，鐘在杉木無性系地下部分的逡逑含量呈現(xiàn)先降低后升高再降低的變化趨勢，在地上部分則呈現(xiàn)先逐漸降低后升高的變化趨逡逑勢。侶脅迫Ｉｈ后，杉木無性系地下、地上部分的押含量分別為巧．８１％邋ｇ，ｋｇｊ和３１．９９８０邋ｇ，ｋｇｊ，逡逑與對照相比Ｉ分別相對增加７．９５％和３．６８％。鉛脅迫４邋ｈ后，杉木無性系地下、地上部分的逡逑鐘含量分別為３８．５２７５邋ｇ’ｋｇ＇ｉ和３１．３４９７邋ｇ’ｋｇ＇ｉ，與無鉛脅迫４邋ｈ相比，杉木無性系地下部分的逡逑神含量相對增加６．５４％，而地上部分則相對降低２．３１％；與鉛脅迫Ｉｈ后相比，分別相對降逡逑低３．２４％和２．０３％。鉛脅迫８邋ｈ后，杉木無性系地下、地上部分的巧含量分別為４１．８５的ｇ’略１逡逑和３０．巧６８邋ｇ’咕Ｉ，與無鉛脅迫８邋ｈ相比，杉木無性系地下部分的鐘含量相對增加３１．拍％，逡逑而地上部分則相對降低１２．９３％；與鉛脅迫４邋ｈ后相比，地下部分相對增加８．６４％，而地上部逡逑分則相對降低２．４０％。鉛脅迫１６邋ｈ后，杉木無性系地下、地上部分的鐘含量分別為４４．４４％逡逑臣－ｋｇ－ｉ和２９．７０的昏咕－１，與無鉛脅迫１６邋ｈ相比，地下部分相對增加５２．８０％，而地上部分則逡逑相對降低口．４４％；與鉛脅迫８邋ｈ相比，地下部分相對X椉櫻叮桑ィ厴喜糠衷螄嘍越檔灣義希玻梗保�。铅胸旪x常插澹韜�，杉木无许崣n叵�、祬樝部分掉[雍糠直鷂常擔矗福罰板澹紓耄紓楹停玻福梗罰玻瑰義希紓耄紓輳胛耷π財認啾齲叵虜糠窒嘍栽齷矗矗罰叮�，而祬樝部分晕噰D越檔停保叮擔玻ィ誨義嫌牘財齲保跺澹柘啾齲至硎Χ越檔停玻埃保叮ズ停玻矗罰ァＧπ財齲叮村

本文編號：2831495