香蕉(Musa spp.)是我国具有国际竞争力的优势农产品之一,但是干旱胁迫和盐胁迫已成为限制香蕉产业发展的主要因子。植物的干旱胁迫、盐胁迫等都会引起渗透胁迫,甜菜碱(betaine)作为重要的渗透调节物质之一,在非生物逆境调控中起着关键作用。然而,外源甜菜碱对渗透胁迫下香蕉抗逆性的影响以及香蕉合成甜菜碱的调控机制研究未见报道。本研究采用叶面喷施10 mmol/L甜菜碱预处理24 h后,以100 mmol/L根灌甘露醇(mannitol)模拟渗透胁迫,测定巴西蕉(M Paradisiaca.)幼苗叶片和根中的MDA含量、抗氧化酶活性、渗透调节物质含量、光合特性等生理指标;从香蕉A基因组数据库获取甜菜碱合成关键酶CMO(胆碱单加氧酶)和BADH(甜菜碱醛脱氢酶)基因序列及蛋白序列,进行生物信息学分析预测其功能和调控甜菜碱合成的可能激素信号物质;采用渗透胁迫(100 mmol/L)、外源甜菜碱(10 mmol/L)和激素信号物质(100μmol/L)处理,利用qRT-PCR技术检测巴西蕉幼苗中CMO和BADH基因相对表达量并测定甜菜碱合成积累量,分析甜菜碱合成基因的表达量和甜菜碱合成积累量的相关性,筛选调控甜菜碱合成的主要激素信号物质;利用RNA-seq技术,对筛选的激素信号物质诱导下,巴西蕉幼苗整体转录水平做进一步分析,探究调控甜菜碱合成的激素信号通路。研究结果如下:(1)外源甜菜碱显著降低渗透胁迫下香蕉幼苗叶片和根中MDA积累量,在48 h分别比渗透胁迫低31.52%和40.99%;显著提高香蕉幼苗叶片和根中SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性;外源甜菜碱预处理24 h,香蕉叶片中叶绿素含量和类胡萝卜素含量都显著上升,分别增加16.50%和23.71%,并减缓渗透胁迫下叶绿素和类胡萝卜素含量下降;显著提高渗透胁迫下叶绿素荧光参数FV/FM、YII和ETR,并减缓FV/FM、YII、ETR、Y(NPQ)和Y(NO)等叶绿素荧光参数的变化;显著提高渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白和甜菜碱的合成积累量,香蕉幼苗叶片和根中可溶性蛋白含量分别在24 h和48 h达到最高,分别比渗透胁迫高107.44%和99.10%,在叶片和根中甜菜碱合成积累量在48 h分别比渗透胁迫高19.69%和12.29%。(2)从香蕉A基因组数据库中筛选获得2个香蕉甜菜碱合成基因,MaCMO(Ma07_g21070)和MaBADH(Ma09 g15520),生物信息学分析结果表明:MaCMO和MaBADH的基因启动子区域分别有12和15种植物激素(MeJA、Eth、SA、ABA和GA)和逆境胁迫相关的顺式作用元件;蛋白结构域和GO功能分析以及多重序列比对发现,MaCMO具有Rieske型[2Fe-2S]和铁离子结合区两个典型的保守结构域,是一类具有铁离子结合和氧化还原酶活性的蛋白;MaBADH具有一个甜菜碱醛脱氢酶结构域,是作用于醛基或羰基以NAD或NADP为受体的一类具有氧化还原酶活性的蛋白;构建的系统进化树显示,两者都与禾本科的菠萝、玉米和水稻亲缘关系最近,CMO和BADH基因在系统进化时,单双子叶植物有明显的分支。(3)渗透胁迫能诱导MaCMO和MaBADH表达量升高,而外源甜菜碱对渗透胁迫下MaCMO和MaBADH的表达有一定的抑制作用,但是都能显著提高香蕉幼苗中甜菜碱的合成积累量。渗透胁迫48 h使叶片和根中甜菜碱合成积累量分别提高12.93%和15.78%,渗透胁迫48 h使外源甜菜碱预处理后的叶片和根中甜菜碱合成积累量分别提高4.79%和7.17%。(4)激素信号物质(ABA、MeJA、乙烯利、SA)都能诱导MaCMO和MaBADH表达量升高,且都能诱导香蕉幼苗合成积累甜菜碱,只是响应程度不同,其中以MeJA诱导的基因表达量和甜菜碱合成积累量最高。MeJA诱导下,MaCMO在叶片和根中.均在8 h达最高,分别为3.795和2.479,MaBADH在叶中12 h达最高1.326,在根中8 h达最高1.686;MeJA诱导48 h使叶片和根中甜菜碱合成积累量分别显著提高29.97%和 26.85%。(5)MeJA处理香蕉幼苗8 h时,茉莉酸信号通路相关的差异基因多且在叶片中全部上调(43个上调),根中仅有少数下调(62个上调,8个下调);其次是乙烯信号通路相关的差异基因在叶片和根中都有较多上调(叶片:16个上调8个下调;根:47个上调,18个下调);赤霉素信号通路相关的差异基因在叶片和根中均较少且下调;水杨酸和脱落酸信号通路相关的差异基因在叶片和根中上下调均较多,并且有大量抗逆相关差异基因表达(叶片和根中分别筛选出131和289个抗逆候选基因)。(6)MeJA处理香蕉幼苗8 h时,茉莉酸响应转录因子MYC2在叶片和根中均有2个差异基因且都上调表达,乙烯响应转录因子ERF1/2在叶片和根中分别有2个和4个差异基因均有2个上调,茉莉酸和乙烯信号被激活。且预测MaCMO和MaBADH基因启动子区具有能与转录因子MYC2和ERF1/2相互作用的顺式作用元件G-box和ERF。综上所述,外源甜菜碱可有效缓解香蕉渗透胁迫,提高生理响应;MaCMO和MaBADH基因表达量和甜菜碱合成积累量之间正相关;渗透胁迫下,香蕉应激会启动甜菜碱分子保护机制;香蕉内源甜菜碱的合成积累与植物激素信号密切相关,推测以茉莉酸信号为主,乙烯信号为辅,二者协同作用,调控甜菜碱合成。