【摘 要】
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植物叶片库源转换过程中其库源调控途径对植物获得高产和优良品质是非常重要的。此外,氮素在叶片库源调控途径中同样发挥着举足轻重的作用。本研究以三周龄小黑杨幼苗作为试验材料,分别进行1 mmol·L-1NH4NO3(对照组)和0 mmol·L-1 NH4NO3(处理组)处理,同时对植株叶片库源相关的生理指标进行测定和聚类分析,确定小黑杨幼苗叶片由库叶发育至库源关系转换叶的时期以及具体位置。采用组学方法,
【基金项目】
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黑龙江省科学基金项目(ZD2020C004); 树木遗传育种国家重点实验室(东北林业大学)创新项目(2019A03); 中央高校基本科研专项基金(2572019CT02); 黑龙江头雁创新团队项目(树木遗传育种创新团队)
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植物叶片库源转换过程中其库源调控途径对植物获得高产和优良品质是非常重要的。此外,氮素在叶片库源调控途径中同样发挥着举足轻重的作用。本研究以三周龄小黑杨幼苗作为试验材料,分别进行1 mmol·L-1NH4NO3(对照组)和0 mmol·L-1 NH4NO3(处理组)处理,同时对植株叶片库源相关的生理指标进行测定和聚类分析,确定小黑杨幼苗叶片由库叶发育至库源关系转换叶的时期以及具体位置。采用组学方法,结合生长及生理的变化,分析库叶、库源转换叶和源叶中库源调控途径分子机制以及氮素对调控途径的影响,研究结果如下:(1)处理组和对照组植株库叶(叶序为1的叶片)按照叶片发育的时间顺序(隔三天)对其形态、生物量、光合参数、叶绿素含量、叶绿素荧光参数等指标进行测定,聚类分析结果显示,两组幼苗1叶(库叶)均在第9天时发育至库源转换叶时期。进一步分析确定该过程的核心生理指标为:Pn、Ci、ФPSⅡ、ETR、N和MC。(2)对培育至第9天的两个组别幼苗各叶序叶片的生物量、光合参数、总酚含量、氮素代谢酶以及糖类代谢酶进行测定,经聚类分析,结果显示,在两个组别幼苗植株中,叶序为5的叶片处于库源转换叶的位置,与叶片发育时间顺序确定的库源转换叶的位置一致。幼苗植株各叶序叶片库源功能研究显示,其库源功能核心生理指标为:GS、Ci、Gs、Tr、MDA、CAT、POD、LA、Fru、TP、Y(NPQ)和Y(NO)。(3)miRNA分析表明,Novel_104调控的库叶特异性模块(青色模块)中UGD5(Potri.010G159800)和库源转换叶特异性模块(黄色模块)中UGD4(Potri.017G092000,Potri.004G118600),此三个基因均在淀粉和蔗糖代谢途径中差异表达。核心基因分析确定了26个高关联Hub基因。这些Hub基因与库源调控途径中光同化、淀粉代谢、蔗糖代谢和光呼吸紧密相关。转录因子分析结果显示,库叶特异性模块(青色模块)中差异表达转录因子显著富集在蛋白泛素化途径,库源转换叶特异性模块(黄色模块)中差异表达转录因子显著富集在淀粉代谢和蔗糖代谢。源叶特异性模块(蓝色模块)中,差异表达转录因子主要富集在叶片衰老和氮素化合物转运。(4)氮素饥饿条件下,miRNA分析结果显示,差异表达miRNA其靶基因主要集中在色素合成和代谢、生物合成、次生代谢产物生物合成等生物学过程。核心基因分析确定氮素饥饿条件下17个高关联Hub基因。这些Hub基因与碳、氮化合物转运,蛋白水解,蛋白泛素化以及木质部发育紧密相关。氮素饥饿条件下,库叶中差异表达转录因子显著富集在叶片衰老。库源转换叶中差异表达的转录因子显著富集在调控蛋白水解、氮素化合物转运、碳水化合物转运、淀粉代谢和蔗糖代谢。源叶中差异表达转录因子显著富集在碳水化合物转运和淀粉代谢。综上所述,首次尝试利用与库源相关的生理指标从时间和空间两个维度确定库叶发育至库源转换叶的时间和所处植株的位置,并分别给出核心生理指标。结合WGCNA分析中基因连接度、所得模块与生理相关性分析以及基因注释筛选出库源调控途径及其氮素饥饿条件下的高关联Hub基因。为通过库源调控途径协调叶片之间的库与源进而最终提升杨树生物量提供基因资源。
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