论文部分内容阅读
土壤盐渍化是威胁农业生产的一个重大问题,严重制约了农作物的生长发育,导致产量和质量下降。草莓根系浅,不耐盐碱,设施栽培过程中的环境封闭和不合理施肥常常导致土壤次生盐渍化,严重影响草莓生长。本实验室研究表明,5-氨基乙酰丙酸（ALA）可以诱导草莓根系H2O2积累,后者引起与Na+运输有关的SOS1、NHX1和HKT1等基因表达上调,导致较多的Na+截留在根系,减少草莓地上部Na+含量,从而缓解盐胁迫伤害,提高植株耐盐性。然而,ALA如何影响根系H2O2积累并由此提高草莓耐盐性的更多机制尚不明确。因此,本文在此基础上,以‘红颜’草莓（Fragaria× ananassa Duch.cv.‘Benihoppe’）植株为材料,再验证ALA诱导的离子截留效应,并通过对盐胁迫下草莓根系转录组测序分析,从中筛选到与一氧化氮（NO）合成有关的基因,且以此为切入点,系统研究了 NO在ALA提高草莓耐盐性中的作用,从而为ALA在草莓生产上应用提供新的理论依据。主要研究结果如下。1.以100 mMNaCl盐胁迫下经或者未经10 mg·L-1 ALA处理的‘红颜’草莓为材料,利用X-射线能谱检测其叶脉和根木质部导管K+、Na+和Cl-含量,同时收集不同处理植株根系木质部汁液,测定其离子含量。结果表明,盐胁迫成倍提高草莓植株木质部输导组织Na+和Cl-含量,对K+含量有少量下降效应,但影响不大;经ALA处理后,根系木质部导管Na+和Cl-含量显著增加,同时降低叶脉木质部导管及根系木质部汁液Na+、Cl-含量,同样,对K+含量没有显著影响。这些结果说明,盐胁迫主要影响草莓植株Na+、Cl-含量,ALA之所以能够提高草莓植株耐盐性,与其阻止Na+和Cl-向地上部运输有关,对K+运输没有显著影响。2.以八倍体栽培草莓基因组为参考,对三种不同处理（对照、NaCl、NaCl+ALA）的草莓根系进行转录组测序分析。结果表明,（1）三个处理的共同差异表达基因（DEG）为28个,包括WRKY40、HY5、bHLH18和bHLH63等多个转录因子。ALA处理显著上调bHLH18和bHLH63表达,却使WRKY40和HY5表达量下降。（2）GO分析表明,所有差异表达基因被分类到30个功能类别中,其中分子功能过程涉及最多。（3）KEGG通路与富集分析表明,ALA处理与NaCl相比,DEG主要富集到氮素代谢通路途径（ath00910）,硝酸还原酶（NR）在ALA处理后表达上调。这暗示ALA提高草莓耐盐性可能与改善氮素吸收利用和转化有关。3.基于转录组测序发现的ALA诱导NR表达上调并结合之前的研究报道,作者推测ALA诱导草莓根系过氧化氢（H2O2）积累可能与NO信号有关。为此,在100 mM NaCl胁迫下研究了 ALA、NO供体硝普钠（SNP）、NR抑制剂钨酸钠（Na2WO4）、NO清除剂cPTIO对‘红颜’草莓耐盐性的效应。结果表明,10 mg·L-1ALA或10μM SNP处理缓解了 NaCl对草莓植株造成的伤害;而当5 μM Na2WO4或cPTIO与ALA共处理时,ALA促进草莓耐盐性的效应几乎完全消除。盐胁迫使草莓根系和叶片NO、H2O2、Na+和Cl-含量显著上升,而ALA处理后,NR表达量上调,根系NO含量增加,H2O2、Na+和Cl-含量同样在根系中积累,却在叶片中显著降低。这种组织特异性差异表明,ALA对根系的调控是其提高草莓耐盐性的关键。ALA通过NO和H2O2信号介导,上调与Na+和Cl-转运相关基因的表达,选择性地将这些有害离子保留在根中,减少向地上部分输送,防止它们对叶片组织和功能的伤害。4.ALA处理导致更多的盐离子截留在草莓植株的根系,减少了地上部积累,但关键的作用部位尚不明确。作者推测,ALA可能影响到盐离子在木质部导管与薄壁细胞中的运输与分配。为此,借用拟南芥（Arabidopsis thaliana（L.）Heynh.）hkt突变体幼苗为材料,探究HKT基因在ALA和NO调控Na+运输过程中的作用。结果表明:（1）ALA和SNP处理明显缓解盐胁迫下野生型（WT）拟南芥叶片受到的伤害,而在hkt突变体中,ALA和SNP的缓解作用消失,暗示着HKT是ALA或NO提高植物耐盐性的关键。（2）在野生型和突变体拟南芥根系中,ALA处理明显促进NR的表达。利用DAF-FMDA特异荧光染料染色的结果也表明,ALA处理后根系NO荧光强度显著增加,说明HKT基因的缺失并不影响ALA诱导根系NO积累。（3）野生型拟南芥中,ALA处理将Na+截留在根系,降低叶片Na+含量,但在突变体材料中,ALA处理不能降低叶片Na+含量,根系Na+含量也没有显著增加。（4）ALA处理显著上调WT根系Na+转运相关基因NHX1、HKT、SOS1、SOS2和SOS3表达,而在hkt突变体中,不但HKT表达受抑制,NHX1和SOS1的表达也微乎其微。这些结果表明,HKT在ALA诱导的根系截留Na+中发挥关键作用,并且可能与NHX1和SOS1等协同,共同参与ALA缓解盐渍对草莓植株的伤害。