菠萝蜜白化苗生理生化特性及差异表达基因分析

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菠萝蜜(Artocarpus heterophyllus)是桑科(Moraceae)、菠萝蜜属(Artocarpus)的常绿乔木,其花萼、种子、叶片、树皮、木材、木屑具有较好的食用价值、药用价值、材用价值,因此深受人们的喜爱。近年来,有研究发现菠萝蜜的白化病会对其生长和产量造成一定影响。探究菠萝蜜白化苗产生的性状特点和分子机理,有助于进一步研究菠萝蜜白化作用的机制、发掘和克隆相关基因。本研究以菠萝蜜白化突变体为实验材料,测定其叶绿素合成代谢途径的中间产物含量、观察其细胞内部结构及叶绿体发育分化情况,同时对其转录组测序结果进行分析比较,为进一步研究菠萝蜜突变体叶绿素合成代谢过程、叶绿体发育机制和白化机制提供理论依据。主要研究结果如下所示:1.菠萝蜜正常苗和白化苗的形态特征观察发现,菠萝蜜白化苗的长势与正常苗相比较弱,且叶片大小(正常绿叶长8-13 cm,宽5-8 cm;白化叶长3-7 cm,宽1.5-4 cm)、株高(正常绿叶约为45 cm,白化叶约为36 cm)等性状也明显低于正常苗。利用光学显微镜和透射电子显微镜对菠萝蜜叶片结构和叶绿体超微结构进行观察,发现白化苗的叶肉细胞呈现白色,细胞内未见明显的绿色颗粒结构,且叶绿体发育存在明显缺陷,基粒发育受损。即菠萝蜜白化苗叶片内的叶绿体结构异常,不能正常合成叶绿素,致使白化苗叶片表现为白色性状。2.菠萝蜜正常叶和白化叶生理生化特征(1)测定叶片内叶绿素前体物质的含量时,发现从δ-氨基乙酰丙酸(ALA)到原脱植基叶绿素(Pchl)的物质合成含量没有出现显著性差异,但最终合成的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量显著低于正常绿叶,含量不到正常绿叶的50%。说明白化苗的叶绿素合成在Pchlide→Chlide→Chl a→Chl b之间发生了障碍。(2)对菠萝蜜叶片内的可溶性总糖、可溶性总蛋白进行测定,发现白化苗的可溶性总糖(76.48 mg/g)和可溶性总蛋白(107.58 mg/g)的含量略微高于正常苗(可溶性总糖为74.89 mg/g;可溶性总蛋白为106.99 mg/g),两者之间并无显著性差异。说明白化幼苗的可溶性总糖、可溶性总蛋白的合成过程未发生障碍,即菠萝蜜白化病对可溶性总糖、可溶性总蛋白的物质合成过程无影响。(3)对5-氨基酮戊酸脱水酶、尿卟啉原III合成酶、叶绿素酶活性进行测定,并与叶绿素前体物质及叶绿素含量测定的结果进行对比,结果表明,在原脱植基叶绿素之前的叶绿素合成过程是正常进行的,但其后的叶绿素合成过程发生了障碍,导致叶绿素的含量降低。3.菠萝蜜正常叶和白化叶转录组测序分析对菠萝蜜正常叶片和白化叶片进行转录组测序,结果表明:菠萝蜜白化苗中大多数与光合作用相关的基因(光系统I、光系统Ⅱ、光合作用天线蛋白合成相关的基因)表达表现为下调趋势,说明菠萝蜜的白化对叶绿体发育分化、叶绿素合成有负面影响。
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