油茶不同叶龄叶片同化物装载的细胞学路径及效率研究

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油茶是一种常绿小乔木,也是世界四大木本油料作物之一。从油茶中提取的茶油是一种含较高比例不饱和脂肪酸的食用油。随着人们对优质食用油的需求不断增长,茶油的生产已不能满足市场需求,因此产量提升是油茶研究中最核心的问题之一。经济作物产量与叶片衰老以及同化物装载过程密切相关,然而油茶叶片衰老的生理特征及潜在调控机制、叶片同化物装载细胞学路径、装载效率与叶片衰老之间的关系尚不清楚。本研究分析了一年生和两年生油茶叶片衰老相关的生理差异,通过多种细胞学方法验证了油茶主要装载方式,比较两种叶龄叶片的装载效率差异并分析其机制,通过转录组分析与q RT-PCR筛选出叶片衰老与同化物装载过程的潜在调控基因,并从转录水平上进一步分析叶片衰老与同化物装载的潜在关系。具体研究结果如下:(1)通过对两种叶龄油茶叶片衰老相关生理指标进行测定,结果显示,与一年生油茶叶片相比,两年生油茶叶片发生叶绿素和可溶性蛋白降解、抗氧化酶活性降低、丙二醛和脯氨酸积累等一系列的生理变化。转录组分析结果表明,两种叶片叶绿素降解、激素信号、氧化等通路的衰老相关基因存在显著的差异,经过进一步的筛选,找到了NOL、ATAF1、MDAR、SAG12等77个重要的衰老相关基因,且这些基因彼此间存在一定的表达相关性。(2)对油茶叶片的小叶脉进行超微结构观察结果显示,在整个装载通路的各个细胞临界处都存在一定密度的胞间连丝。荧光示踪结果表明,在叶脉及叶脉周围的叶肉细胞中均存在较强的荧光信号。通过对两种叶片进行荧光漂白损失实验(FLIP)验证细胞的功能连接性,结果显示,相比于叶肉细胞,维管束鞘细胞与筛分子-伴胞复合体之间具有更强的细胞连接性。质外体抑制实验结果表明,油茶叶片对两种质外体抑制剂均不敏感。以上结果说明油茶叶片同化物装载路径以共质体途径为主。(3)通过对两种叶龄油茶叶片的光合特征、叶绿素荧光特征及蔗糖合成相关酶活性进行测定,结果表明衰老叶片的光合能力与蔗糖合成能力均显著下降。而对可溶性糖、淀粉含量及淀粉相关酶活性分析结果说明,衰老叶片中积累更多的可溶性糖。这些结果显示在油茶叶片衰老过程中,同化物装载效率下降。通过对叶脉结构、胼胝质与木质素积累情况进行分析,结果显示衰老叶片装载效率降低主要是由于韧皮部薄壁细胞(VPC)与伴胞(CC)细胞临界处以及维管束鞘细胞(BSC)与伴胞(CC)细胞临界处的胞间连丝密度降低。(4)通过对两种叶龄叶片的转录组分析,筛选出Co SUT1、Co SWEET12、Co PDCB1-1等多个可能参与同化物装载过程的差异基因。生物信息学分析表明,胞间连丝相关调控基因、糖转运蛋白调控基因等同化物装载相关基因与叶片衰老相关基因间存在一定的表达相关性。
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