月季资源耐盐性评价及耐盐代谢通路的分析

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月季(Rosa cvs)是蔷薇科蔷薇属植物,分布广泛,栽培历史悠久,在园林绿化中占据着重要的地位。我国约有13万km~2以Na Cl为主要盐分的滨海盐渍土和25万km~2的内陆盐渍土,对植物生长造成不同程度的影响。虽然月季品种繁多,但缺乏盐耐受性的系统调查数据,严重制约其在盐碱严重地区的栽培和应用。因此,广泛收集月季种质资源,在土壤盐碱化程度较高的天津滨海地区建立资源圃,并连续7年对其生长、观赏性状和盐害状况进行7年调查,结合土壤盐碱化程度进行综合分析,评价月季种质资源的耐盐性,筛选耐盐资源,为丰富我国盐碱地区绿化和美化植物材料提供重要的依据。在此基础上,初步构建了耐盐月季的杂交子代群体,为新品种选育提供基础。通过测定盐敏感及不敏感型品种(‘绯扇’和‘坦尼克’)在连续盐胁迫条件下的生理生化指标和转录组数据,研究耐盐的生理机制和分子机理,为月季耐盐机理的研究提供理论基础。主要研究结果如下:(1)调研天津滨海盐碱地区15个样点、4个土层(0-80cm)的土壤盐碱状况,结果显示土壤含盐量变化范围在0.42-15.1g/kg之间,p H在7.58-8.5之间,多为中度盐化土水平,局部达到重度盐化土水平。公园绿地、道路绿地等共发现6个品种,其中应用最广的为‘粉扇’及‘绯扇’,品种单一,生长状况不佳。(2)收集了126份月季种质资源,建立种质资源圃,通过7年的观测结果显示:资源圃内土壤含盐量变动在0.61-3.13g/kg之间,p H在7.24-8.32之间。春季土壤盐分高于秋季,土壤盐分随水分运移频繁,月季根系主要分布层的土壤均达到过中度盐化土水平。跟踪调查不同年份月季品种的存活状况,结果显示:定植7年后共有41个品种的存活率达到了80%以上,其中包括26个杂交茶香月季品种(HT)、3个丰花月季品种(F)、8个藤本月季品种(CI)和4个微型月季品种(Min)。结合月季种质在滨海盐碱地区的生长、开花及盐害状况,建立了基于天津滨海盐碱地区特殊立地条件下的月季综合评价体系,其中HT系列中表现最好的为‘坦尼克’,F系列中表现最好的为‘莫海姆’,CI系列为‘西方大地’,Min系列为‘太阳姑娘’。(3)在田间耐盐性评价基础上,选择20个不同耐盐能力的月季品种,开展了0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%等7个梯度水平下的盐胁迫处理,并进行了形态、致死浓度、生理等指标的调查和测定,结果显示:在持续45d的盐胁迫后,将致死浓度≥0.5%的品种归为高抗类,包括‘坦尼克’、‘嫦娥奔月’、‘西方大地’、‘光谱’及‘仙境’等5个品种;将致死浓度在0.3%-0.4%的品种归为中抗类,共有11个品种;将致死浓度≤0.2%的归为低抗类,分别为‘绯扇’等4个品种。基于盐害率隶属函数法的综合评价,结果较为一致。选择同为HT系列的高抗及低抗品种‘坦尼克’及‘绯扇’,测定了根部与叶部的Na+与K+的含量。在0.4%浓度盐胁迫下,2个品种根部Na+含量都高于叶部,‘绯扇’的增加幅度均大于‘坦尼克’;2个品种的K+含量,叶片呈上升趋势,根部呈下降趋势,‘绯扇’的变化幅度均大于‘坦尼克’。(4)在0.4%浓度盐胁迫下,对‘坦尼克’和‘绯扇’0d、2d、4d、7d和9d根部及叶片进行转录组测序。在连续盐胁迫响应过程中,比较同一胁迫水平下二者之间的差异基因,并进行GO和KEGG功能富集。测序数据表明:4d时‘坦尼克’的基因表达情况才开始出现较大变化,而‘绯扇’在盐胁迫早期2d时基因表达模式出现较大变化。根部和叶片的基因表达模式变化基本同步。进一步筛选差异表达基因,在没有经过盐胁迫的情况下,二者叶片和根部差异基因总数分别为12118条和18121条。GO和KEGG分析表明,这些差异基因主要发挥蛋白绑定功能,而且在激素信号传导途径上的富集情况比较明显,说明2种盐胁迫响应差异的品种对激素信号变化的响应上存在较大差异。此外,在叶绿素合成、氧化还原过程也有较大差异,且与生理生化指标测定结果相吻合。在植物信号转导通路中ABA信号通路起到关键作用,且通路中PYR/PYL、PP2C和Sn RK2均差异表达,是盐胁迫应答的关键基因。(5)通过对不同盐胁迫时长下‘坦尼克’和‘绯扇’差异表达基因进行分析,揭示其在连续盐胁迫过程中差异基因的聚类及差异途径,发现二者盐胁迫应答差异主要集中在氧化还原代谢、金属离子转运、氧化自由基清除及脱落酸信号转导等途径。对这些途径参与基因进行深度挖掘显示,两个月季品种在Na+吸收过程中也表现出明显差异,而在排Na+过程中在两个月季品种中并没有明显差异。另外,‘坦尼克’月季能够有效利用谷胱甘肽合成酶(GSH)来累积GSH对氧化自由基(ROS)清除,同时多个谷胱甘肽转移酶(GSTs)家族成员也起到至关重要的作用。在月季叶片中,ASA-GSH(坏血酸-谷胱甘肽)循环在耐盐响应过程中也起到关键作用。GSTs家族成员和APX(抗坏血酸过氧化物酶)家族成员均能够作为月季耐盐的鉴定标记。(6)在转录组分析中,发现APX家族成员在月季耐盐过程中发挥关键作用,进一步进行基因家族分析,共筛选到27个Rh APX基因家族成员。Rh APX的进化导致了不同基因发挥不同的功能,在应答盐胁迫压力时,Rh APX19表现出积极的响应过程。结合转录组数据,对所有家族成员进行q RT-PCR验证,结果发现,盐胁迫条件下Rh APX19在抗性材料中表达量激增,在维持细胞氧化平衡过程中发挥重要作用,可作为鉴定月季抗性的候选参考基因之一。(7)自2015年至2019年间,开展了25个品种43个组合的杂交实验,共获得杂种苗256株,初步构建了月季的耐盐品种选育群体。同时发现‘坦尼克’ב醉香酒’、‘坦尼克’ב黑旋风’杂交亲和性最强。对以‘坦尼克’为母本获得的82个开花单株的性状进行了测定,结果显示:子代在花型、花色等多方面产生了较大的性状分离,有40.4%的子代出现了超出双亲的花型,有39.4%的子代出现了超出双亲间的花色,同时发现,子代中花瓣数量的变异幅度最大。杂交后代的遗传多样性,为选育花色和花型丰富的耐盐等抗性品种提供了更多可能。
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