【摘要】：低溫是北方和高寒地區(qū)植物生產(chǎn)的主要限制因素之一,也是影響植物分布的關(guān)鍵因子。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年因低溫冷害造成的作物生產(chǎn)損失高達(dá)數(shù)千億元。因而研究植物低溫適應(yīng)機(jī)理,提高其低溫適應(yīng)能力具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。廣布于高寒缺氧極端生境條件下的西藏野生垂穗披堿草(Elymus nutans Griseb.),是研究低溫適應(yīng)較理想的優(yōu)質(zhì)牧草;亦是麥類作物的野生近緣種,擁有麥類作物所缺乏的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗蟲、抗旱、抗寒、耐鹽堿等優(yōu)良基因,具有重要的農(nóng)藝學(xué)價(jià)值。本研究主要以采集于西藏當(dāng)雄縣的野生垂穗披堿草(Damxung,DX)為研究對(duì)象,以甘南垂穗披堿草品種(E.nutans cv.Gannan,GN)為對(duì)照材料,采用各種生理生化實(shí)驗(yàn)手段、質(zhì)譜(LS-MS/MS)及RNA-Seq高通量測序的方法,系統(tǒng)地探究當(dāng)雄野生垂穗披堿草在4℃低溫脅迫下光合生理、抗氧化防御、內(nèi)源激素水平,碳水化合物代謝和基因表達(dá)的響應(yīng),揭示當(dāng)雄野生垂穗披堿草低溫適應(yīng)的生理及分子機(jī)制,為今后更好地利用野生垂穗披堿草中的抗性基因?qū)Φ蜏孛舾心敛菁稗r(nóng)作物進(jìn)行遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:(1)通過對(duì)參試的8份野生垂穗披堿草在低溫脅迫條件下相對(duì)電導(dǎo)率、葉綠素含量及Fv/Fm分析,結(jié)果表明,高海拔的BQ,XZ和DX在低溫脅迫下細(xì)胞膜系統(tǒng)和PSII受損傷程度較輕,表現(xiàn)出較強(qiáng)的低溫適應(yīng)性,而低海拔的DZ,NML和MZG呈現(xiàn)較弱的低溫耐受性。低溫脅迫下積累較高的可溶性糖,尤其是蔗糖和棉籽糖可能有利于提高高海拔野生垂穗披堿草的低溫適應(yīng)能力。另外,內(nèi)源植物激素信號(hào)和CBFs基因交互作用激活COR14a的表達(dá),有助于維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)于調(diào)節(jié)低溫脅迫下細(xì)胞的防御響應(yīng)起著重要的作用。(2)利用便攜式光合測定儀Li-6400及葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2100,測定了低溫脅迫及恢復(fù)處理對(duì)DX和GN光合氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù),結(jié)合直角雙曲線修正模型,結(jié)果表明,低溫脅迫和恢復(fù)處理的DX葉片維持較高的Pn和Pmax,主要是由于較低的氣孔擴(kuò)散限制及迅速地代謝限制恢復(fù)能力。而且脅迫及恢復(fù)處理下更高的光合酶活性和碳水化合物的積累也有利于DX葉片維持較高的Pn�；謴�(fù)處理后DX葉片的Pn,gs,gm和Tr并未恢復(fù)到脅迫前的水平,說明低溫脅迫下氣孔因素是限制DX光合碳同化效率的主要原因。(3)外源褪黑素和ABA處理均能緩解低溫脅迫誘導(dǎo)的氧化損傷。外源褪黑素提高垂穗披堿草的低溫適應(yīng)性可能與誘導(dǎo)內(nèi)源褪黑素產(chǎn)生有關(guān),內(nèi)源褪黑素作為重要的次生信使進(jìn)一步激活下游基因如EnCBF9,EnCBF14和EnCOR14a的表達(dá),從而提高抗氧化防御系統(tǒng)活性緩解ROS積累誘導(dǎo)的氧化損傷。進(jìn)一步的研究顯示,低溫脅迫下褪黑素可能通過ABA依賴的信號(hào)途徑提高垂穗披堿草的抗氧化防御響應(yīng)。(4)為深入探究垂穗披堿草低溫適應(yīng)的分子機(jī)制,執(zhí)行了de novo轉(zhuǎn)錄組研究,構(gòu)建了48個(gè)cDNA文庫,用Illumina HiSeq 4000平臺(tái)進(jìn)行測序,總共得到317.64 Gb的數(shù)據(jù),總共鑒定了5600 DEGs。通過HCL聚類和venn分析,發(fā)現(xiàn)DX和GN的葉片和根莖在響應(yīng)低溫脅迫時(shí)表現(xiàn)出各自特異地應(yīng)答機(jī)制。(5)通過對(duì)低溫脅迫響應(yīng)基因進(jìn)行GO和KEGG富集分析,發(fā)現(xiàn)低溫脅迫誘導(dǎo)DX產(chǎn)生許多特異的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞代謝防御響應(yīng),其中,JA/BR調(diào)節(jié)的信號(hào)途徑在脅迫初期發(fā)揮重要作用;另外,果聚糖合成、α-亞麻酸代謝及苯丙烷合成途徑在DX低溫適應(yīng)中起著積極的作用。(6)通過共表達(dá)分析,得到26個(gè)hub genes,包括22個(gè)DX和4個(gè)GN共表達(dá)的基因。其中,84.6%hub genes被注釋為COR(如:COR413PM1,COR410,DHN5等),揭示了這些CORs在調(diào)節(jié)當(dāng)雄垂穗披堿草低溫應(yīng)答響應(yīng)中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。綜上研究,本論文首次利用RNA-Seq結(jié)合生理研究來探討西藏野生垂穗披堿草低溫適應(yīng)的生理及分子機(jī)理,為今后更好地利用野生垂穗披堿草中的抗性基因?qū)涿舾心敛菁稗r(nóng)作物進(jìn)行遺傳改良奠定了基礎(chǔ)。
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圖片說明： F 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)途徑是目前研究較為深入的低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，低溫脅迫誘導(dǎo) CBF 基因迅速表達(dá)。CBF/DREBs 能夠結(jié)合域，從而激活其表達(dá)（Maruyama et al. 2012）。CBF 信號(hào)途錄調(diào)節(jié)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成、ROS 解毒、細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)、2005; Maruyama et al. 2004）。擬南芥中有 3 個(gè) CBFs 基1c 和 CBF3/DREB1a。過表達(dá) CBFs 基因能夠提高擬南芥的 CBF3 導(dǎo)致其對(duì)低溫較為敏感（Novillo et al. 2007）。與之顯示抗凍表型（Novillo et al. 2004）�；虮磉_(dá)分析表明，，在F1 和 CBF3 的表達(dá)（Novillo et al. 2004）。CBF 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途BF 同系物在耐低溫能力較強(qiáng)的植物如小麥、大麥和歐洲油敏感的水稻、玉米、番茄和櫻桃等植物中已經(jīng)被成功克�。辖嬷� CBFs 基因轉(zhuǎn)到其他植物中也能夠增強(qiáng)低溫耐受性s 基因過表達(dá)到擬南芥中也能提高其抗凍性（Chinnhinozaki and Shinozaki 2006）。
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圖片說明： 圖 1-2 植物 CBF 冷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 (Shi et al. 2015)Fig. 1-2 Regulation of the CBF signaling pathway during cold stress.5 CBF 不依賴的信號(hào)途徑轉(zhuǎn)錄組分析顯示僅有 12%的低溫脅迫響應(yīng)基因是受 CBFs 調(diào)控表達(dá)的（ashow 2002）。因此，CBF 獨(dú)立的信號(hào)途徑在低溫信號(hào)應(yīng)答中起著至關(guān)重，在大豆中，低溫脅迫誘導(dǎo)的 C2H2 型鋅指蛋白 SCOF1 可能通過增加 b G-Box 結(jié)合因子 1 的 DNA 結(jié)合活性來誘導(dǎo)下游 CORs 的表達(dá)（Kim et 芥 esk1 突變體通過積累高水平的脯氨酸來提高抗凍性，是一種 CBF 不依方式（Xin and Browse 1998）。在轉(zhuǎn)基因 MYB4 水稻中，CORs 表達(dá)上調(diào)加，表現(xiàn)出抗凍表型（Vannini et al. 2004）。低溫脅迫下，Hos9（同源結(jié)構(gòu)突變體中 CBF 的誘導(dǎo)表達(dá)與野生型相同，但卻表現(xiàn)出凍敏感表型。微陣OS9 的調(diào)控子與 CBFs 不同（Zhu et al. 2004）。相似地，盡管 hos10-1 突變下增加 CORs 的表達(dá)，但也對(duì)凍敏感。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，HOS10 可能D3 的表達(dá)，表明 HOS10 可能通過調(diào)控 ABA 調(diào)節(jié)的信號(hào)途徑來應(yīng)答低溫u et al. 2005）。ABA 依賴的信號(hào)途徑是目前研究較多的 CBF 不依賴的信
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S543.9


本文編號(hào)：2513585