甘蓝型油菜幼苗耐盐生理机制及褪黑素应用效应研究

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盐胁迫下甘蓝型油菜幼苗成活率、营养生长、产量及产量品质与种子萌发和早期幼苗生长表现密切相关。本研究通过不同品种油菜在不同氯化钠水平下的形态生理特性、生化响应和解剖结构变化,评价和筛选与油菜萌发期和苗期耐盐性相关的重要性状。结果表明,不同油菜品种的耐盐性在两个阶段存在较大差异。基于萌发期的重要性,我们利用萌发期强耐盐品种和敏感品种进行转录组分析,以识别参与盐胁迫响应的潜在候选基因。此外,研究了褪黑素(MT)作为种子引发剂(0、25、50或100μM)在调节K+/Na+稳态、减轻盐胁迫介导的氧化损伤、光合抑制和解剖结构变化以及提高产量和品质方面的潜力。研究盐胁迫的形态、生理、生化、解剖和分子响应,有助于进一步培育耐盐基因型,为盐碱地种植油菜提供理论依据和技术支撑。我们将主要结果总结如下:(1)评估油菜品种耐盐性的形态、生理、生化和解剖特征本研究中,我们用0、100或200 m M浓度的Na Cl溶液处理幼苗,通过隶属函数值(MFV)和欧几里得聚类分析,调查了10个耐盐性不同的油菜品种幼苗期对Na Cl的耐受性。Na Cl毒性显著降低了幼苗生长、生物量、内源性K+含量和相对水分含量,并增加了电解质渗透率、可溶性糖含量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性,且不同油菜品种间的SPAD值差异十分显著(p<0.05)。最终将10个品种分为耐盐、中等耐盐和不耐盐3个不同的类型。我们发现华6919(0.90)与云油双2号(0.84)具有最高的MFV值,其耐盐性最强,而中双11(0.17)和扬油9号(0.14)具有最低的MFV值,对盐胁迫敏感。进一步对以上4个油菜品种进行了光合气体交换和解剖性状的分析,其中气孔孔径面积在光合气体交换和解剖性状这些指标当中与耐盐性相关性最高,因此这个指标可以作为后续研究改良油菜耐盐性的重要指标。在第二部分实验中,我们使用重要发芽性状的MFV评估了油菜品种在发芽阶段对盐胁迫的表现,包括发芽率、活力指数、芽长和根长、地上部鲜重和根鲜重以及地上部干重和根干重。基于这些发芽性状的MFV,我们计算了油菜品种间的耐盐系数。油菜在萌发期和苗期的耐盐性品种间存在较大差异。有趣的是,萌发阶段的结果表明,扬油9号的MFV值最高,而中双11号的MFV值最低,因此它们分别被选为萌发期最耐盐和最敏感的品种。因此,选择萌发阶段最耐盐和对盐最敏感的品种,通过转录组分析来鉴定与耐盐有关的潜在机制。(2)两种耐盐性不同的甘蓝型油菜种子萌发过程的转录组比较分析在本研究中,水分含量结果表明,耐盐品种和盐敏感品种在0、12、24和48 h四个时间点表现出显著的表型差异。此外,除过氧化氢(H2O2)积累量外,过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性在盐胁迫下的两个品种及选定的时间点间均有显著差异(p<0.05)。因此,在正常和Na Cl胁迫条件下,对选定的2个油菜品种进行了种子萌发的4个时间点的动态转录组分析。2个品种的差异表达基因(DEGs)在扬油9号盐胁迫(YY9_SS)和中双11号盐胁迫(ZS11_SS)分别在0、12、24和48h下调5325、6941、5835和9114,上调4463、4710、5431和10997。在种子萌发的各个阶段,明确了表达谱和主要富集途径。在种子萌发过程中,包括戊糖磷酸途径、内质网蛋白加工、丙酮酸代谢和糖酵解/糖异生途径在内的大量基因在萌发后12小时内被特异性和短暂诱导。在耐盐性比较中,MAPK信号通路-植物、植物激素信号转导和碳水化合物代谢相关通路均显著富集。在耐盐和敏感品种中发现了许多与淀粉/蔗糖、糖酵解/糖异生、发酵和三羧酸循环(TCA)相关的基因。更具体地说,在植物激素转导途径中,与生长素信号转导相关的基因,Auxin1(AUX1)、运输抑制剂反应1(TIR1)、Gretchen Hagen3(GH3)和小生长素上调RNA(SAUR)表现出明显的上调表达,以调节细胞扩增并激活萌发过程。在耐盐样品中,与细胞分裂素(拟南芥组氨酸磷酸转移(AHP)和A型拟南芥反应调节剂(A-ARR)、赤霉素(植物色素相互作用因子(PIF)、油菜素甾体(BRI1相关受体激酶1(BAK1)、BR信号转导相关的基因Kinase1(BSK)、木葡聚糖:木糖基葡萄糖基转移酶(TCH4)、Brassinazole resistant1/2、Cyclin-D3(CYCD3)和水杨酸(致病相关的基因(NPR1)非表达抑制剂,与致病相关的基因(PR1)和TGACG-BINDING FACTOR(TGA)也同样上调表达。这些基因可能参与了油菜种子休眠和对盐的抗性。(3)褪黑素通过改善油菜抗氧化系统、离子稳态、光合活性和解剖结构变化,提高油菜的耐盐性和产量品质50μM褪黑素(MT)处理对油菜生长、抗氧化物代谢、光合作用、渗透压、次生代谢产物、产量和脂肪酸组成产生了非常显著的影响。应用褪黑素减少了植株到达初花期和盛花期所需的时间。外源MT处理通过显著减少在盐溶液和非盐溶液条件下的超氧阴离子和过氧化氢的生成来有效地减少氧化损伤,这表现为脂质过氧化作用降低,膜稳定性增强和抗氧化酶(过氧化氢酶,超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶)的上调。褪黑素的施用提高了叶绿素含量、光合速率、相对水分含量、K+/Na+稳态、可溶性糖和脯氨酸含量;减少菜籽油苷、饱和脂肪酸(棕榈酸和花生酸)含量,提高了不饱和脂肪酸含量(亚麻酸和油酸,除芥酸降低),明显改善了油菜品质。施用褪黑素提高了角果数、单株产量、千粒重、种植含油量和产量生物量等产量构成指标。叶片和茎的解剖分析表明,气孔和木质部导管性状与耐盐性、产量和种子脂肪酸组成有关。这些结果表明,在盐胁迫条件下褪黑素提高了菜籽油的产量和质量。
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