比拉底白刺响应盐胁迫的生理生化与分子机制研究

论文摘要

土壤盐渍化是限制植物生长、发育和地理分布的主要环境胁迫之一。据报道,全世界有超过6%的土地存在不同程度的盐渍化,且有逐渐增加的趋势。盐生植物可以在盐化环境中生存,具有特殊的耐盐适应机制,从而避免盐害,是研究耐盐机制的理想材料。比拉底白刺（Nitraria billardieri）是白刺科（Nitrariaceae）白刺属（Nitraria L.）灌木,分布于澳大利亚的一种盐生植物,具有较强的耐盐性,被广泛地应用于盐碱地的生态环境改良和植被改善,还具有潜在的育种价值。然而,关于比拉底白刺幼苗耐盐机制的研究尚未见报道。因此,阐明比拉底白刺耐盐的生理和分子机制,对培育耐盐植物新品种及利用盐渍化土壤具有一定的理论和实践意义。本研究采用200 mMNaCl溶液对比拉底白刺幼苗进行盐胁迫处理,探究盐胁迫初期比拉底白刺幼苗生长和生理特性随胁迫时间的变化情况,并通过蛋白质组和转录组技术分别分析盐胁迫下比拉底白刺幼苗叶片蛋白质和基因的差异表达谱,结合生物信息学方法对比拉底白刺耐盐性状进行初步探讨。主要研究结果如下:1.对比拉底白刺幼苗进行不同浓度、不同时长的盐胁迫处理,观察其表型变化,选定中等浓度（200mM）作为后续实验的盐胁迫条件。测定中等盐胁迫下白刺幼苗生理指标,发现胁迫处理6至9天时,幼苗叶片边缘有轻微卷曲的现象,其鲜重与盐处理3天时相比分别下降了 5.52%、13.48%,其含水量在胁迫后期逐渐减少。结果表明,盐胁迫时间较短时比拉底白刺幼苗的生长未受到严重影响,处理6至9天时逐渐表现出胁迫伤害。2.进一步分析盐胁迫处理0、3、6、9天时比拉底白刺幼苗的生理指标。随着胁迫处理时间的延长（在一定时间范围内）,幼苗叶片质膜透性和丙二醛（MDA）含量逐渐升高,细胞膜的通透性逐渐被破坏;气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和净光合速率（Pn）逐渐降低;超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化物酶活性逐渐增加。以上实验说明比拉底白刺幼苗在响应盐胁迫时的形态改变可能与其适应盐胁迫的生理生化反应有关。3.为探究比拉底白刺响应盐胁迫的分子机制,首先使用iTRAQ技术分析了盐胁迫处理9天时比拉底白刺幼苗叶片蛋白质表达谱的变化。共鉴定出839种蛋白质,得到130个表达丰度具有显著差异的蛋白质。对差异表达蛋白质进行功能注释,发现与信号转导、碳水化合物代谢、蛋白质代谢和氧化还原平衡等过程有关的蛋白质在比拉底幼苗响应盐胁迫的过程中起着重要作用。与对照相比,盐胁迫处理的差异蛋白在细胞氮化合物合成、有机氮化合物合成、金属离子结合、线粒体等GO条目中表现出显著富集;KEGG途径分析发现,盐胁迫影响了比拉底白刺叶片中抗生素生物合成、碳水化合物代谢和光合作用相关蛋白质的表达。可见盐胁迫通过调节与光合反应和固碳有关蛋白的表达来影响幼苗叶片的光合作用。在蛋白互作网络中检测到一组相互作用的蛋白质,其中5个网络中心蛋白SHM3、SHM4、GLT1、NTRC和ACLB-2可能在白刺叶片对盐胁迫处理的响应过程中发挥重要作用。4.其次,分别对盐处理1、3、5、7天的比拉底白刺叶片样品和相应的对照叶片样品进行转录组测序。共获得168463个Unigenes,其中60%Unigenes得到注释。盐处理1、3、5、7天时筛选出比拉底白刺叶片中差异基因分别为276、218、181、196条,随着盐胁迫时间的延长,差异表达基因的数量逐渐减少,可能与比拉底白刺逐渐适应盐胁迫有关。对差异基因的GO功能注释及KEGG代谢通路富集分析显示,盐胁迫主要影响了氨基酸代谢、氧化磷酸化、信号转导和次生代谢等生物学过程。差异基因互作网络分析表明,氨基酸代谢、光合过程、信号转导、糖代谢相关基因在盐胁迫早期主要呈上调表达,增强植株的能量代谢,以应对盐胁迫;后期呈下调表达,随胁迫程度加重,抑制植株代谢活动,从而减轻伤害。本研究以盐生植物比拉底白刺为研究对象,通过比较盐胁迫处理与对照相同条件下的表型、生理生化指标、蛋白质和基因差异表达谱,首次从生理生化和分子水平上研究了比拉底白刺响应盐胁迫的机制,为探究盐生植物适应盐胁迫环境的机制提供了基础。此外,本研究鉴定到的差异表达蛋白和基因,以及重要的网络中心蛋白,将是进一步阐述比拉底白刺应答盐胁迫以及培育耐盐新品种的基础。

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摘要

ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 盐胁迫对植物的危害

1.1.1 种子萌发率下降

1.1.2 抑制植物的生长

1.1.3 扰乱离子动态平衡

1.1.4 细胞膜通透性增大

1.1.5 生理性干旱

1.1.6 光合作用受阻

1.1.7有毒物质的积累

1.2 植物耐盐的生理机制

1.2.1 渗透调节机制

1.2.2 离子稳态平衡机制

1.2.3 活性氧清除机制

1.2.4 激素调节机制

1.2.5 光合途径的转变

1.3 植物应答盐胁迫的信号途径和关键基因

1.3.1 盐胁迫的信号转导途径

1.3.2 离子转运蛋白基因

1.3.3 渗透调节相关基因

1.3.4 与细胞抗氧化相关基因

1.3.5 植物应答盐胁迫的表观遗传修饰

1.4 盐胁迫对白刺属植物的伤害

1.4.1 盐胁迫影响白刺属植物种子的萌发

1.4.2 盐胁迫影响白刺属植物的生长

1.4.3 盐胁迫影响白刺属植物对离子的吸收

1.4.4 盐胁迫导致白刺属植物膜通透性增大

1.4.5 盐胁迫影响白刺属植物光合作用

1.5 白刺响应盐胁迫的机制

1.5.1 渗透调节作用机制

1.5.2 酶促抗氧化机制

1.5.3 离子平衡机制

1.5.4 外源物质调节作用

1.6 研究目的与意义

第二章盐胁迫下比拉底白刺形态和生理生化特征的变化

2.1 材料与方法

2.1.1 试验材料的培养与处理

2.1.2 叶片鲜重、干重及含水量的测定

2.1.3 叶片光合参数的测定

2.1.4 叶片膜透性检测

2.1.5 丙二醛（MDA）含量的检测

2.1.6 抗氧化酶活性的测定

2.1.7 数据处理

2.2 结果与分析

2.2.1 比拉底白刺幼苗在盐胁迫下的表型分析

2.2.2 比拉底白刺幼苗叶片鲜重、干重在盐胁迫下的变化

2.2.3 盐胁迫下比拉底白刺幼苗叶片含水量的变化

2.2.4 比拉底白刺幼苗光合参数在盐胁迫不同时间段的变化

2.2.5 盐胁迫对质膜透性的影响

2.2.6 盐胁迫引起白刺幼苗叶片丙二醛含量的变化

2.2.7 盐胁迫对叶片抗氧化酶活性的影响

2.3 讨论

2.3.1 比拉底白刺幼苗在中盐胁迫时表现一定的适应性

2.3.2 形态改变可能与比拉底白刺幼苗适应盐胁迫的生理生化反应有关

第三章比拉底白刺响应盐胁迫的蛋白组学分析

3.1 材料与方法

3.1.1 试验材料

3.1.2 实验方法

3.2 结果与分析

3.2.1 比拉底白刺幼苗叶片应答盐胁迫的差异蛋白质表达谱

3.2.2 比拉底白刺幼苗叶片应答盐胁迫差异蛋白的功能分类

3.2.3 比拉底白刺叶片应答盐胁迫差异蛋白的GO分析

3.2.4 应答盐胁迫差异表达蛋白质的KEGG途径分析

3.2.5 白刺幼苗叶片应答盐胁迫的蛋白质互作网络解析

3.3 讨论

3.3.1 盐胁迫导致与氧化还原稳态有关的蛋白质上调表达

3.3.2 盐胁迫诱导蛋白质代谢的差异表达

第四章盐胁迫下比拉底白刺的差异转录组分析

4.1 材料与方法

4.1.1 试验材料

4.1.2 实验方法

4.2 结果与分析

4.2.1 盐胁迫下比拉底白刺叶片转录组测序

4.2.2 Unigene的功能注释和COG分类

4.2.3 Unigene的GO功能分类

4.2.4 Unigene的功能注释和KOG分类

4.2.5 Unigene的同源物种分布统计

4.2.6 盐胁迫下比拉底白刺的基因差异表达分析

4.2.7 比拉底白刺盐胁迫应答基因的互作网络分析

4.3 讨论

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 进一步研究的内容

参考文献

附录

个人简介

导师简介

获得成果目录

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 田林

导师: 尹伟伦,夏新莉,成铁龙

关键词: 比拉底白刺,盐胁迫,蛋白质分析,差异表达基因,生理特性

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,林业

单位: 北京林业大学

基金: 国家自然科学基金项目(31770715)

分类号: S793.9;Q945.78

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000102

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