环境胁迫对印楝生长代谢及萜类酶基因表达的影响

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sjk29001431
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印楝(Azadirachta indica A.Juss)是世界上公认的最理想的生物源杀虫植物,其主要活性成分是印楝素。我国引种印楝已有30多年的历史,但至今仍然缺少其精准化栽培的理论和技术。为了进一步构建和完善印楝的高效栽培理论体系,充分挖掘印楝素的生产潜能,本研究以最为关注的水分和光照两个环境因子作为切入点,分别以印楝幼龄实生苗和印楝成年无性系作为试验材料,分析印楝幼苗生长及其初生代谢酶对不同水分和光照胁迫的响应,探究环境胁迫下幼龄期营养生长阶段叶片印楝素形成积累水平,同时对生殖生长阶段干旱胁迫条件下种仁印楝素含量及其合成途径的关键酶活性与编码基因的表达量进行同步测定,试图从终产物、蛋白质、核酸层面揭示印楝素形成积累的环境诱导机制。主要研究结果如下:(1)在印楝营养生长阶段,自然光照+田间持水量60%~65%的处理(W0L0)条件最有利于印楝幼苗的生长。其中苗高增幅、地径增幅及生物量分别比其他处理高出9.7%-294.9%、28.4%-173.0%和34.7%-569.4%,水分和光照胁迫均会抑制印楝幼苗的生长。在水分胁迫条件下,印楝可通过调节碳代谢酶(SS、SPS)和氮代谢酶(NR、GS、GOGAT)活性及加快可溶性糖、可溶性蛋白质和游离脯氨酸的积累以维持苗高、地径及生物量等较小的变幅,表现出较大的干旱适应能力。印楝在营养生长阶段可以合成并积累印楝素于幼树叶片中,其中在自然光照+田间持水量为40%~45%处理条件(W1L0)下最高,印楝素A、印楝素B及总印楝素(A+B)含量分别为0.014%、0.0026%和0.017%,分别比W0L0处理高出40.00%、8.33%和33.87%,而遮光或过度干旱胁迫均不利于叶片印楝素的合成。(2)在印楝生殖生长阶段,干旱胁迫使可导致种仁千粒重和种仁比例比充分供水条件分别高出7.8%和8.9%,同时印楝素含量也提高20%,土壤充分供水加快了印楝种子的生长速率,但种子内有机物的含量并没有同步增加。光照胁迫会导致印楝种仁千粒重和印楝素含量也降低2.7%和1.4%。相关性分析表明,印楝种子发育前期的可溶性糖、可溶性蛋白质含量与印楝素含量呈显著正相关,种子发育中、后期两者与印楝素含量呈负相关。(3)在印楝种子发育后期,萜类合成酶活性在干旱胁迫条件下较高。在种子发育前期,处于萜类合成上游的催化酶(HMGS、HMGR、DXS)具有较高的生物学活性,且随着种子的发育活性逐渐下降,而处于下游的催化酶在种子发育后期仍然具有较高的生物活性,且在干旱胁迫条件下的活性更高。(SS、SQLE)(4)用Illumina高通量测序技术对充分供水(W1)和干旱胁迫(W2)下的印楝种仁(果核形成期和果实近熟期)12个样本进行转录组测序,获得大量序列信息,其中clean reads数占raw reads数的98.9%以上,测序碱基质量值Q30均超过92.9%,测序质量较好。利用Trinity将clean reads进行从头组装后共得到40120条Unigene,并注释到23372条基因功能信息。筛选W1-a-VS-W2-a和W1-b-VS-W2-b中表达量相差两倍以上的基因作为差异基因(differentially expressed genes,DEGs),并对两个时期的DEGs进行GO及KEGG富集分析,在果核形成期未富集到与萜类合成相关的DEGs,在果实近熟期富集到2个DEGs(CMK和LUS)。通过WGCNA分析,在与印楝素含量显著正相关模块中,并未发现富集到萜类合成通路的基因。对印楝素合成相关Unigenes进行分析,有48条Unigenes参与了印楝素的生物合成。在果实近熟期,大部分基因在W2中具有较高的表达量,其中有11个基因可作为对印楝素合成起关键作用的候选基因。印楝素合成相关基因的表达与萜类代谢相关酶HMGR、HMGS、SS和SQLE的活性变化同步,同时与W2中印楝素含量(2.45%)高于W1(1.67%)相一致。干旱导致种仁印楝素含量升高的原因已基本理清,为印楝素的人工调控提供依据,同时为今后深入开展环境与印楝物质代谢关系方面的研究奠定理论基础。
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