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克隆植物几乎分布于所有的生态系统中,克隆植物所具备的生理整合特性是其具有较强的环境适应能力的主要原因之一。紫外线-B(ultraviolet-B,UV-B)辐射是影响植物生长发育的一种重要环境因子,对植物生长和防御过程影响极大。我们先前的研究已经表明异质性UV-B辐射能够调控克隆植物的防御物质的整合过程,且NO在其中发挥了信号转导作用。但是异质性UV-B环境中,克隆植物内源NO产生的途径及其在响应UV-B胁迫的防御代谢过程中的分子机制尚未明确,而这对于我们深入的了解克隆植物响应环境胁迫的机制十分重要。本研究以克隆植物活血丹(Glechoma longituba)为材料,将其克隆分株对置于异质性UV-B辐射处理环境中处理7天后,将克隆分株分成对照组(A组),直接UV-B辐射组(BII组)以及间接的UV-B辐射组(BI组)三组,利用转录组、代谢组及其联合组学分析讨论异质性UV-B环境中活血丹内源NO产生的途径及其在防御代谢过程中的作用机理,主要结果如下:1.对异质性UV-B环境中克隆分株中内源NO合成途径分析结果表明,异质性辐射环境中的分株叶片中NO含量都明显提高,其中直接受到UV-B辐射的分株(BII组)叶片的一氧化氮合酶(NOS)活力及类胡萝卜素含量增加;而未直接接受UV-B辐射的分株(BI组)叶片的NOS和硝酸还原酶(NR)活力提高、亚硝酸盐和类胡萝卜素含量增加。2.转录组分析结果鉴定出对照组(A组)和异质UV-B辐射(BI、BII组)组克隆分株间27582个差异表达基因,其中上调表达13106个、下调表达14476个。这些差异基因主要参与了植物的生化过程、细胞组分和分子功能。其中参与代谢过程的基因最多,其次是参与催化活性、细胞内过程、整合和单组织过程等的基因。这些差异基因显著富集到20条通路中,主要包括次生代谢物的生物合成、淀粉和蔗糖的代谢、苯丙氨酸的生物合成、碳代谢等。此外,将信号分子合成相关的通路进行富集分析显示,和NO合成及调控相关的氮代谢、精氨酸及脯氨酸合成代谢相关基因的表达改变。3.代谢组分析结果显示,检测到的433个代谢物中A组和BI组拥有29个共有的差异代谢物,A组和BII组共有的差异代谢物为160个,BI组和BII组共有的为138个,其中三组共有的差异代谢物为18个。这些代谢物主要为黄酮类、萜类、生物碱类和氨基酸及其衍生物类等。其中,三组的差异代谢产物主要富集在氨基酸的生物合成途径(如:苯丙氨酸生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢途径等)和黄酮和黄酮醇的生物合成途径。其中,氨基酸及其衍生物类差异代谢产物BII组最多,A组次多,BI组最少。黄酮类差异代谢产物BII组较A组和BI组都要多。4.将不同处理组间差异基因和差异代谢物进行关联分析结果显示,三组间苯丙氨酸代谢途径相关基因CYP73A、GOT1、hpp D、PAL的表达量变化趋势为:BII>BI>A;MIF、aim E基因表达量A>BI>BII;反肉桂酸含量:BII>BI>A。精氨酸和脯氨酸代谢相关基因GOT1、P4HA的表达量:BII>BI>A;MPAO、PAO1、NOA1基因的表达量A>BI>BII。脯氨酸含量:BII>A、BII>BI;精氨酸含量A>BII。在黄酮和黄酮醇生物合成相关基因E2.1.1.76表达量BII>A;CYP75A基因表达量A>BI>BII。芹菜素、三羟基黄酮含量BII>A、BII>BI;木犀草素葡萄糖苷、葡萄糖苷四羟基黄酮含量A>BII;山奈酚半乳糖苷的含量A>BII、BI>BII。根据以上结果,我们认为异质性UV-B辐射通过激活NOS和NR参与的酶促途径以及类胡萝卜素和亚硝酸盐参与的非酶促途径从而诱导活血丹叶片中NO含量显著提高,但直接受到UV-B辐射的分株(BII)及其相连接的未收到直接辐射的分株(BI)端叶片中NO合成的途径有所不同。叶片中增加的NO通过促进脯氨酸的合成以及激活苯丙氨酸代谢通路并进一步促进黄酮和黄酮醇的生物合成,最终激活了活血丹的防御代谢反应。并且,借助于相互连接的匍匐茎,分株间的信号或者物质在克隆网络中进行整合,因此,即使没有收到直接的UV-B辐射的克隆分株也能够诱导出防御反应,从而有助于基株对环境的预适应。本研究结果揭示了异质性UV-B辐射环境中克隆植物防御反应的可能机理,有助于深入研究克隆植物的环境适应性及其分子机制。