外源ABA提高甘蓝型油菜抗镉胁迫能力和氮素生理利用效率

  【目的】  植物脱落酸 (ABA) 可调节植物生长、种子休眠和叶片衰老,还可对非生物胁迫作出反应。比较添加外源ABA前后镉 (Cd) 胁迫下甘蓝型油菜的生理反应,可深化对脱落酸提高作物抗性和氮素生理利用效率作用机理的认识。  【方法】  供试甘蓝型油菜品种为814号,试验设3个处理:正常培养 (CK)、10 μmol/L CdCl₂ (Cd) 和5 μmol/L ABA + 10 μmol/L CdCl₂ (A + Cd)。在处理4天后,观察甘蓝型油菜表型,测定脯氨酸及丙二醛 (MDA) 含量、Cd含量、硝酸盐和铵盐含量以及硝酸还原酶 (NR)、谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性等相关指标。  【结果】  与Cd处理相比,A + Cd处理甘蓝型油菜新叶SPAD值提高了1.1倍,根部脯氨酸含量增加了29.0%,MDA 含量降低了48.3%。外源ABA的添加会抑制甘蓝型油菜对Cd的吸收,降低甘蓝型油菜地上部和地下部Cd含量,减小Cd对甘蓝型油菜的毒害作用,影响甘蓝型油菜对NO₃–的吸收,降低油菜体内的总氮含量。与Cd处理相比,A + Cd处理甘蓝型油菜根部NR活性显著提高82.8%,更多的NH₄+分配到了地上部,地上部GS活性升高了32.1%,增强了甘蓝型油菜体内的氮同化和代谢过程,氮素生理利用效率显著提高了17.2%。  【结论】  外源ABA的添加可降低Cd的吸收量,提高氮代谢相关酶活性,促进脯氨酸的合成和降低丙二醛的生成,进而增强甘蓝型油菜对Cd的抗性,增强甘蓝型油菜体内氮同化和代谢的过程,并提高甘蓝型油菜的氮素生理利用效率。     

甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因的鉴定及功能性研究

液泡是调控植物细胞分化、生长发育的重要部位,AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因调控植物液泡内外离子平衡、离子运输以及能量供应。本研究利用功能已知的拟南芥AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因为参考序列在甘蓝型油菜全基因组数据库、NCBI植物基因组注释数据库等鉴定并筛选出9个BnaAVP1、3个BnaVHA-a2和4个BnaVHA-a3,并分析基因拷贝数变异、分子特征、跨膜结构域、保守基序、染色体定位、系统进化树构建、蛋白二级结构及三维结构预测、高通量转录组测序等。发现甘蓝型油菜BnaAVP1和BnaVHA-a3的基因数量明显多于甘蓝和白菜;甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白属于由酸性氨基酸组成的稳定蛋白;系统进化选择能力的分析表明,甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3家族基因与甘蓝、白菜关系相近。转录组测序表明,低氮处理后,BnaAVP1s基因主要在地上部表达,且低氮3h后地上部表达下调,低氮处理72h根中表达量上调;BnaVHA-a2s和BnaVHA-a3s基因在地上部和根中均有表达,BnaVHA-a2s在低氮处理72h后表达量基本呈上调趋势,BnaVHA-a3s在低氮3h后基本呈下调趋势。低磷处理后,BnaAVP1s根中大部分基因表达上调,地上部表达基本无差异;BnaVHA-a2s表达基本无差异;BnaVHA-a3s地上部和根中均基本为上调趋势。该结果为进一步研究甘蓝型油菜AVP1、VHA-a2和VHA-a3基因生物学功能及AVP1、VHA-a2和VHA-a3蛋白水解ATP提供能量供植物代谢的分子机制奠定基础,为已知大量数据的其他物种家族基因生物信息学研究提供参考。     

拟南芥生态型Tor-1根系响应镉的转录组学与可变剪接分析

  【目的】  研究拟南芥生态型根系对镉 (Cd) 的适应性机制,挖掘耐Cd基因,为培育修复型植物提供生理基础和理论指导。  【方法】  本研究以高Cd积累同时高耐受性的拟南芥生态型Tor-1为试验材料,测定Cd处理后根系的生理变化、氧化应激反应、抗氧化酶活性,结合转录组学和可变剪接分析,以期从分子水平上解析Tor-1根系对Cd的适应性机制。  【结果】  Cd处理后,拟南芥生态型Tor-1的主根长度和根尖数没有明显差异,但根系总体积、总表面积显著降低,总根长极显著下降,表明根系受到损伤;根系丙二醛浓度较对照有所增加,但变化不显著;脯氨酸浓度显著下降;超氧化物歧化酶 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT) 活性显著增加。基因本位论 (GO) 富集分析显示,在生物过程中,差异表达基因 (DEGs) 在代谢过程和对化学物质的反应功能富集最为显著;在细胞组分中,DEGs在细胞外组分功能显著富集;在核酸功能中,DEGs在氧化应激活性和血红素结合功能显著富集。京都基因和基因组百科全书 (KEGG) 通路表明,高比例诱导的DEGs富集于7条KEGG途径,分别为苯丙素生物合成 (4.49%)、次生代谢物的生物合成 (14.45%)、代谢途径 (20.57%)、硫代葡萄糖苷 (GS) 生物合成 (0.89%)、谷胱甘肽 (GSH) 代谢 (2.04%)、苯丙氨酸和酪氨酸及色氨酸的生物合成 (1.39%)、苯丙氨酸代谢 (1.14%)。在Cd胁迫下,Tor-1根系苯丙素合成与代谢和GSH代谢相关基因表达大部分显著上调,而GS合成相关基因表达受到抑制,并发生可变剪接事件,其中内含子保留事件发生最多。  【结论】  Tor-1根系在应对Cd胁迫时虽然根系形态受到一定损伤,但可通过增加抗氧化酶 (SOD、CAT) 活性减轻镉胁迫产生的危害,并积极通过调节苯丙素合成与代谢、GSH代谢以及抑制GS合成对应的基因来减轻Cd对植物的伤害,还可通过可变剪接来积极适应Cd胁迫。     

甘蓝型油菜响应低氮胁迫的表达谱分析

随着人们对作物产量的需求不断提高,氮肥被过量施用,而作物的氮素利用率(NUE)却在不断降低。本研究从低氮胁迫下油菜的生理变化入手,结合高通量的数字基因表达谱测序技术,分析了油菜在低氮0、3、72h下的转录组差异响应,鉴定了氮的吸收﹑转运﹑分配和转录因子等方面的差异表达基因。结果表明,甘蓝型油菜在低氮处理后,氮优先分配到地上部,硝酸还原酶(NR)活性显著降低,而谷氨酞胺合成酶(GS)活性升高,油菜植株总氮浓度降低, NUE升高。基因基因本位论(GO)功能与京都基因和基因组百科全书(KEGG)代谢通路分析表明,地上部差异表达基因主要是参与代谢过程、蛋白结合、离子结合、阴离子结合等,根中差异表达基因主要是参与分子功能、初级代谢过程、离子结合、阴离子结合等。基因表达谱分析表明,低氮胁迫72 h后,根中BnaGLNs家族基因表达大部分升高;根中BnaWRKY33s和BnaWRKY70s的基因表达量降低;BnaMYB4s、BnaMYB44s和BnaMYB51s亚家族中的大部分基因的表达量降低;BnaNIAs家族中的大部分基因表达上调;在BnaNRT2.1s和BnaNRT3.1s亚家族中,根中Bna...