荷花对重金属铜胁迫响应及转录组学研究

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荷花(Nelumbo nucifera)是我国传统的十大名花之一,也是其中唯一的水生花卉,具有极高的食用、药用及文化价值。土壤重金属污染作为目前全球性的经济和社会问题,已对农业生产构成了严重的威胁,同时也在逐步的影响着荷花的生存环境。为了探究重金属对荷花的影响机制,本文通过盆栽法,以荷花品种‘艳阳天’为供试材料,研究了不同浓度Cu处理在不同时间段对荷花的生长、生理及转录组方面的影响,从而为深入了解荷花耐Cu性提供一些帮助。主要研究结果如下:(1)Cu胁迫对荷花生长方面的影响。在不同浓度Cu处理35 d后,不同处理下的荷花平均株高产生了较为明显的分化,整体随着Cu浓度的升高呈现先增后降的趋势,生长势的强弱表现为:T3>T2>T1>T0>T4>T5>T6>T7(T代表铜处理浓度,下同)。荷花叶面积也呈现出先增后降的现象。低浓度Cu胁迫下对荷花花朵数量影响不大,但高浓度Cu胁迫下荷花出现了花朵数量减少甚至无花朵的情况,说明高浓度Cu胁迫严重影响了荷花正常的生长发育。(2)Cu胁迫对荷花生理方面的影响。结果表明Cu胁迫下,荷花叶片中的叶绿素总量整体呈现先增后降的趋势,其中Cu胁迫主要影响叶绿素a(Chlorophyll a,Chl a)的合成,而对叶绿素b(Chlorophyll b,Chl b)影响不大。两种抗氧化酶(SOD和POD)活性及渗透物质(可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸)均在T2和T3处理下酶活性和可溶性物质积累量达到最高,说明荷花在一定浓度的Cu胁迫下能通过提高自身的光合效率、酶活性、维持细胞内外渗透平衡来缓解重金属的毒害。(3)Cu胁迫对荷花转录组方面的影响。主要测定了试验组(Cu胁迫7 d)及对照组之间的转录组数据。结果表明从荷花的转录组数据中注释到了86016个unigenes,共筛选得到了55个DEGs,其中54个基因上调表达,1个基因下调表达。有34033条Unigenes在GO分类上,其中在分子功能中主要功能为结合能力(binding)和催化活性(catalytic activity),分别为20313(46.09%)和17974(40.78%)Unigenes;在生物学过程中,细胞过程(cellular process)和代谢过程(metabolic process)占据数目最多,其分别为20092(22.64%)和17971(20.25%)Unigenes;在细胞组成中,细胞(cell)和细胞组分(cell parts)占据数目最多,其分别为22546(23.33%)和22485(23.26%)Unigenes。有6806条Unigenes注释到KEGG分类中,共分为四大代谢通路,分别为细胞过程(Cellular processes)、环境信息过程(Environmental Information Processing)、基因信息过程(Genetic Information Processing)、新陈代谢(Metabolism),其中涉及到代谢信号途径的显著性差异基因有2656个,占Pathway信号通路注释差异基因总数的39.02%。说明经过Cu处理后,荷花产生了更多的代谢因素来应对这种胁迫。有15322条Unigenes被注释到KOG数据库中,主要涉及信号转导机制(Signal transduction mechanisms)、基因功能预测(General function prediction only)、翻译后修饰及蛋白质更新(Posttranslational modification,protein turnover,chaperones)、核糖体结构及生物学功能(Translation,ribosomal structure and biogenesis)、碳水化合物的运输和代谢(Carbohydrate transport and metabolism)。分析之后选择几个关键基因进行实时荧光定量检测,这些数据为后续研究提供转录组水平的基础数据以及可能参与Cu胁迫抗性的相关基因和通路。
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