两种基因型梨树对干旱胁迫的生理和分子响应

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干旱严重影响梨树生长发育及梨果的产量和品质。为了更好地理解梨树耐旱机理,给培育耐旱梨树品种提供相关试验依据,本文以耐旱性较强的‘黄冠’梨(‘Huangguan’,HG,Pyrus bretschneideri ×P.pyrifolia)和耐旱性较弱的‘黄金’梨(‘Whangkeumbae’,HK,P.pyrifolia‘Niitaka’× P.pyrifolia‘Nijisseiki’)为研究材料,在人工气候室中模拟干旱条件,分析干旱胁迫下的叶片相对含水量(RWC)、叶绿素含量(SPAD)、净光合速率(Pn)和最大光化学效率(Fv/Fm)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量以及过氧化物酶(POD)与内源激素水平等生理响应指标;基于处理植株外观、生理变化特征,选择HG和HK在正常灌水、干旱胁迫处理下梨树中部功能叶进行转录组测序,探索梨树耐旱分子机理;此外,对梨树脱落酸(ABA)合成及信号转导的关键酶基因进行克隆及表达分析。主要研究结果如下:1.两个品种梨树的叶片相对含水量(RWC)、叶绿素含量(SPAD)、净光合速率(Pn)和最大光化学效率(Fv/Fm)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量以及过氧化物酶(POD)活性随着干旱胁迫加重而显著增加,复水后迅速减少;脱落酸(ABA)和茉莉酸(JA)随干旱胁迫加重迅速增至高峰,复水后则迅速下降到正常水平,而生长素(IAA)随着干旱胁迫加重逐渐下降,复水后有所上升;油菜素甾醇类(BR)在轻度干旱时骤然增加,到严重干旱时则迅速下降,复水后略有上升。耐旱性较强的HG叶片RWC、SPAD、Pn和Fv/Fm下降幅度较小,累积较少的MDA、Pro、POD,低累积ABA和高累积JA,存在ABA和JA协同响应干旱机制以及较高的复水恢复力。2.以梨树基因组为参考基因组,通过转录组分析,在HG和HK中分别找到了 1 885和1 667个差异表达基因(DEGs),这些基因都分别富集在21和24个代谢路径(KEGG Pathways),其中两个梨树品种都富集到的Pathways有包括脱落酸(ABA)和茉莉酸(JA)代谢的12条Pathways,但是在赤霉素(GA)和水杨酸(SA)生物合成相关的代谢路径中只有HG的DEGs得到富集。此外,在HG中,有743个DEGs特异表达,而这些基因主要有转录因子、激酶、糖代谢相关基因、不饱和脂肪酸相关基因、激素和信号转导相关基因以及分别与气孔行为、水通道蛋白、气孔关闭相关肌动蛋白结合蛋白、钙结合蛋白CML、钙依赖性蛋白激酶、钙转运蛋白、钾通道和钾转运体有关的其他耐旱基因。随机选取23个DEGs,通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测,发现其表达模式与RNA-Seq结果一致。3.克隆了‘黄冠’梨ABA生物合成关键酶基因PbpNCED,且通过qRT-PCR验证其表达量动态变化与叶片内源ABA含量变化趋势一致,通过生物信息发现其应该属于NCED3。4.在‘黄金’梨PpPP2C成功转入拟南芥(Arabidopsis thaliana)的基础上,把转基因拟南芥和野生型拟南芥用不同水分条件处理,结果发现,转基因植株中PpPP2C表达量显著高于野生型,且在不同处理下其表达量与ABA含量变化趋势一致,转基因植株的整体抗旱性较野生型强。
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