【摘 要】
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园艺植物种类繁多,分布地域广阔,在挖掘营养健康以及生态功能植物方面具有突出优势。甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)是我国首批入选药食同源目录的植物种类之一,也是干旱、半干旱地区重要自然资源。探寻抗旱适应性表现和经济器官(根)代谢物变化对甘草资源可持续利用具有重要意义,同时为旱生植物资源保护和利用提供直接策略。本研究以甘草幼苗为材料,通过盆栽控水法设置对照、轻度、中度、
【基金项目】
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国家自然科学基金(31560123); 国家科技重大专项(2019ZD016); 内蒙古高等学校科研项目(NJZY21452); 内蒙古自治区研究生科研创新资助项目(BZ2020053)
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园艺植物种类繁多,分布地域广阔,在挖掘营养健康以及生态功能植物方面具有突出优势。甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch.)是我国首批入选药食同源目录的植物种类之一,也是干旱、半干旱地区重要自然资源。探寻抗旱适应性表现和经济器官(根)代谢物变化对甘草资源可持续利用具有重要意义,同时为旱生植物资源保护和利用提供直接策略。本研究以甘草幼苗为材料,通过盆栽控水法设置对照、轻度、中度、重度四个干旱胁迫处理,研究不同干旱胁迫程度下甘草源(叶)光合、结构以及产物积累特征;库器官根系生长及碳水化合物积累转化特征,初步确定甘草源库对干旱逆境的响应调节特性;在此基础上,进一步运用蛋白组学和代谢组学方法,重点分析作为经济器官和库器官的根系蛋白以及代谢组分变化特征,为阐明甘草响应甘草逆境的源库调节机制以及建立高品质甘草栽培措施提供依据。主要研究结果如下:(1)干旱胁迫下甘草地上部生物量呈轻度胁迫增加,重度胁迫减小的变化趋势,根冠比则随着干旱胁迫增加呈持续增大趋势,显示干旱胁迫下,甘草具有生物量优先向根部调配特性。(2)在轻度干旱胁迫下,甘草通过调节气孔的数量和形态以及腺体的密度来适应干旱胁迫,气孔密度的增加有助于植物更好地控制呼吸作用,调节体内H2O和CO2的进出,在水分适宜的时候提高植物光合作用效率。在重度干旱胁迫后甘草可能有较强的非光化学猝灭机制以耗散过剩的光能,将吸收的光能以热能的形式散失而不发生光化学反应,从而减少自由基的生成,对光合机构起一定保护作用;其次,在重度干旱胁迫时,叶片失水引起叶片变薄或萎蔫,栅海比减小,叶绿体膜结构逐渐模糊甚至消失。(3)糖分组成和含量影响源库代谢运转同时作为重要渗透调节物质影响抗旱力形成。在轻度干旱和中度干旱处理后,甘草叶片中果糖含量高于蔗糖,而在根中蔗糖含量高于果糖。其次,不同干旱胁迫后,叶和根中果糖、蔗糖、葡萄糖含量均高于对照,这可能是甘草为抵御干旱胁迫,使其含量积累,提高植物的耐受性。(4)在初步确定甘草源叶和库器官源库响应调节特性基础上,进一步利用蛋白组学分析根系不同干旱胁迫程度下蛋白组分信息。本研究共鉴定了7409个蛋白质,其中可定量的蛋白数有7305个,不同干旱胁迫后鉴定出837个差异表达蛋白(DEPs),其中,与对照组相比,轻度干旱胁迫后有123个DEPs(上调表达80个,下调表达43个),中度干旱胁迫后有353个DEPs(上调表达254个,下调表达99个),重度干旱胁迫后有564个DEPs(上调表达312个,下调表达252个)。基于上述数据,我们对有信息的蛋白质进行了系统的生物信息学分析。分析显示,在轻度干旱胁迫主要以棉子糖、脯氨酸等渗调物质积累提高甘草抗性。在中度干旱胁迫和重度干旱胁迫,促进不饱和脂肪酸的氧化,以及葡萄糖和半乳糖积累响应干旱胁迫。此外SQS(Q8GSL6)在干旱胁迫后始终上调表达,使角鲨烯的合成不受影响;而角鲨烯单加氧酶(A0A1S2YI26)在中度干旱胁迫后显著下调表达,影响角鲨烯2,3-环氧化物合成。并且在重度干旱胁迫后β-香树脂醇合酶(W5XM28、A0A0R0IYV7、Q84PE3)也显著下调表达,抑制了β-香豆素的合成,进而抑制了萜类前体五碳化合物的合成,最终导致甘草酸含量减少。(5)采用超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)对甘草根提取物进行分析,共检测到831个代谢物,包括177个黄酮,140个脂质,113个酚酸类,70个有机酸,66个氨基酸及其衍生物,53个核苷酸及其衍生物,50个萜类,31种生物碱,25种木脂素和香豆素,7个醌,2个鞣质,以及97种其他代谢物。对重度干旱胁迫下甘草根显著上调的11个黄酮类、9个生物碱、13个有机酸、7种氨基酸物质相关性分析发现,3-氨基-2-萘甲酸、L-脯氨酸、N-苯亚甲基异甲胺、N-乙酰-5-羟基色胺、L-胱氨酸、4,5,6-三羟基-2-环己烯-1-亚乙乙腈、L-苯丙氨酸、2-羟基苯并噻唑与其他物质相关性组最多,可能是甘草抗旱性评价主要代谢物。上述结果初步揭示了甘草抗旱适应性和主要代谢通路的响应机理,并筛选了部分抗旱候选物质,为选育和利用抗旱种质资源奠定了理论基础。
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