多年生黑麦草(Lolium perenne L.)抗旱基因挖掘

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据统计,气象灾害占全球灾害数量的70%,而干旱灾害占气象灾害数量的一半。我国作为世界上干旱频发且灾害严重的国家之一,粮食与生态安全都因此受到严重威胁。选育抗旱品种,提高植物耐旱性是解决问题的有效途径,通过生物技术手段挖掘抗旱基因能够在短时间内改良植物对胁迫的耐受性。多年生黑麦草(Lolium perenne L.)是世界上温带地区最受欢迎的冷季型多年生草本植物之一,然而,干旱胁迫会对其草皮质量等性状造成严重影响。因为它具有自交不亲和的特性,所以表现出高度的遗传多样性。因此,本研究通过比较18个多年生黑麦草品种在模拟极端干旱与中度干旱条件下的不同表现,得出相对抗旱与不抗旱品种。转录组测序分析这两个品种在失水条件下的差异表达基因,结合GO注释,KEGG通路分析等,挖掘出多个在细胞水平(转录因子,蛋白激酶等)或生理水平(抗氧化物酶对ROS的清除,可溶性糖与脯氨酸的渗透调节)上调控多年生黑麦草应对失水胁迫的候选基因。主要研究结果如下:(1)在进行品种筛选试验中,通过测定极端干旱处理下18个多年生黑麦草品种复水后的存活率与相对含水量变化,测定中度干旱处理下(维持土壤含水量40%与50%)相对生长速率与相对生物量变化及正常生长条件下离体叶片失水速率,采用赋值法对试验结果进行打分,找到相对抗旱的品种尚品(Sopin),得分为32分,以及得分仅为11分的相对不抗旱品种充电桩(Charging)。(2)转录组测序发现尚品和充电桩在失水胁迫下有7851个差异表达基因(DEGs),与不抗旱品种充电桩相比,抗旱品种尚品中上调表达基因4618个。干旱胁迫下,DEGs主要富集在信号转导、翻译、氨基酸代谢、碳水化合物代谢途径;GO注释与KEGG通路从以上基因中筛选出143个失水响应基因,包括DREB、NAC、MYB、WRKY等转录因子以及参与信号转导、渗透调节、活性氧清除的基因;其中有97个在尚品中上调表达。说明多年生黑麦草通过调控这些基因的表达来应对失水胁迫。(3)测定尚品和充电桩在正常与失水处理下ROS(O2-、H2O2)含量、MDA含量、抗氧化物酶(SOD、CAT、POD)活性、可溶性糖、游离脯氨酸等逆境生理指标。与不抗旱品种充电桩相比,抗旱品种尚品具有较低水平的ROS,较低含量的MDA,较高水平的抗氧化物酶活性与可溶性糖含量,及更迅速的脯氨酸积累,说明ROS的清除与渗透调节在多年生黑麦草应对失水胁迫中发挥一定作用。(4)结合转录组数据与生理实验,从失水响应基因中筛选出35个基因,包括转录因子、参与信号转导基因、调控抗氧化物酶基因、参与淀粉降解与脯氨酸生物合成通路基因,对其表达量进行q RT-PCR验证分析,发现失水胁迫下,大部分基因在尚品中的表达量高于充电桩,由于部分光合蛋白可间接清除ROS,又对5个LHC相关基因与1个CA基因的表达量进行分析,发现这两个品种的LHC相关基因在对照与失水条件下的表达无明显差异,说明多年生黑麦草幼苗在失水40%-50%时,抗氧化物酶促系统与渗透保护剂在ROS的清除中起重要作用。综上所述,转录调控、活性氧清除、可溶性糖与脯氨酸的渗透调节在多年生黑麦草幼苗应对失水胁迫中发挥重要作用。调控相关基因的表达对尚品较高的抗旱性有重要功能,本研究为今后多年生黑麦草抗旱分子育种方面的研究提供候选基因,为多年生黑麦草抗旱机制的研究提供依据。
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