冷胁迫下金皇后哈密瓜转录组学及蛋白组学分析

来源 :石河子大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lm20090910
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哈密瓜(Cucumis melo L.)属于葫芦科、黄瓜属,因其甘甜如蜜、香气怡人,深受人们的喜爱。新疆具有哈密瓜得天独厚的生长环境条件,因此种植面积广、产量大,哈密瓜产业对于推动新疆经济的可持续发展具有重要作用。一直以来,低温贮藏和运输是保持哈密瓜果实品质和延长货架期的主要手段,但由于哈密瓜果实对低温较为敏感,在低温环境下,易出现褐变、凹陷等冷害症状,严重影响了哈密瓜的商品品质和商品价值。因此,研究哈密瓜响应冷胁迫分子机制,对于保持哈密瓜品质,延长货架期具有重要的理论和实践意义。本文以当地代表性品种“金皇后”为试材,首先对金皇后哈密瓜表型和生理生化指标观察与分析,研究0.5℃、3℃和21℃(对照)贮藏下金皇后哈密瓜冷害的发生与相关指标的变化规律,然后通过转录组和蛋白组测序,全面分析不同贮藏温度下金皇后哈密瓜果实的差异表达基因和差异表达蛋白变化,筛选和挖掘出与冷胁迫相关的重要抗寒基因MYB以及热休克蛋白,并分析其在哈密瓜响应冷胁迫过程中的功能。本研究为进一步深入了解采后哈密瓜的耐冷分子机制,延长货架期提供了理论依据,并在食品科学以及植物分子育种等方面提供了广阔的应用前景。以下为主要结果:(1)不同贮藏条件下金皇后哈密瓜表型显示,3℃贮藏下金皇后哈密瓜受冷害程度较低,果实贮藏品质最佳。金皇后哈密瓜生理生化指标的测定结果表明:金皇后哈密瓜冷害的发生与贮藏温度及持续时间相关,3℃和0.5℃贮藏易遭受不同程度得冷害,但3℃贮藏条件下冷害出现较晚,金皇后哈密瓜的腐烂率、失重率和冷害指数明显低于0.5℃。相比0.5℃和21℃,金皇后哈密瓜在3℃下贮藏更好的减缓了果实的腐烂,维持较高的过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化歧化酶(SOD)、脂肪酸去饱和酶(FAD)和三磷酸腺苷酶活性(ATPase),抑制了脂氧合酶(LOX)活性的升高,降低了丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)的含量,减轻了冷害的发生,使果实保持最佳品质。(2)转录组结果分析表明:在0.5℃/12d-0d、0.5℃/24d-0d、3℃/12d-0d、3℃/24d-0d、21℃/12d-0d、21℃/24d-0d总共分离出6479(上调1314,下调5165)、7914(上调1594,下调6320)、7350(上调1874,下调5476)、6482(上调2751,下调3731)、3642(上调1638,下调2004)和3532(上调1198,下调2334)个差异表达基因,共有415个差异表达基因在6组中共表达。GO功能注释结果表明:差异表达基因主要注释到代谢过程(metabolic process)、细胞过程(cellular process)、对刺激的响应(response to stimulus)、细胞(cell)、细胞部分(cell part)、膜(membrane)、催化活性(catalytic activity)和结合(binding)。KEGG代谢通路结果表明:差异表达基因主要参与的代谢途径主要为:代谢途径(ko01100)、植物病原体相互作用(ko04626)、淀粉和蔗糖代谢(ko00500)、植物激素信号转导(ko04075)、脂肪酸代谢(ko01212)和次生代谢物的生物合成(ko01110)等生物过程。(3)转录组共鉴定出1163个差异表达转录因子,主要包括MYB(375,32.24%)、AP2/EREBP(86,7.39%)、b HLH(63,5.42%)、FAR1(56,4.82%)、NAC(56,4.82%)和WRKY(50,4.30%)等转录因子。这些差异表达转录因子主要参与了转录调控、对胁迫的响应及代谢等过程。(4)基于RNA-seq分析结果,鉴定到28个抗冷MYB基因。选取响应胁迫的JhMYB24和JhMYB48基因分析结果表明:JhMYB24和JhMYB48基因编码蛋白均属于R2R3-MYB型转录因子,与拟南芥、甜瓜和西葫芦MYB基因之间的氨基酸序列保守性较高,具备R2R3-MYB型转录因子基本特征,在抵御胁迫过程中具有相似的功能。实时荧光定量PCR研究结果表明,JhMYB24和JhMYB48基因表达水平与转录组测序结果基本一致。(5)蛋白组结果分析表明:在0.5℃/12d-0d,0.5℃/24d-0d,3℃/12d-0d,3℃/24d-0d,21℃/12d-0d,21℃/24d-0d总共分离出360(下调218,上调142)、447(下调287,上调160)、600(下调250,上调350)和638(下调277,上调361)、598(下调199,上调399)和950(下调458,上调492)个差异表达蛋白。GO分析结果表明:差异表达蛋白主要注释到代谢过程(metabolic process)、对刺激的响应(response to stimulus)、细胞(cell)、催化活性(catalytic activity)和结合(binding)等过程。COG分析发现差异表达蛋白主要与翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣,(Posttranslational modification,protein turnover,chaperones)翻译(Translation)、碳水化合物运输和代谢(Carbohydrate transport and metabolism)相关。KEGG代谢通路富集分析表明:冷胁迫下哈密瓜果实内差异表达蛋白主要参与的代谢途径为:碳代谢(ko01200)、代谢途径(ko01100)苯丙烷生物合成(ko00940)、谷胱甘肽代谢(ko00480)等途径。筛选获得81个与胁迫相关的差异表达蛋白,包括38个热休克蛋白,5个过氧化物酶基因,4个谷胱甘肽S-转移酶基因和34个其他蛋白。(6)基于i TRAQ测序技术(蛋白组学)分析结果,鉴定到38个响应胁迫的热休克蛋白。选取4个热休克蛋白JhsHSP、JhHSP70、JhHSP90Ⅰ和JhHSP90Ⅱ分析结果表明:JhsHSP、JhHSP70、JhHSP90Ⅰ和JhHSP90Ⅱ与分别与黄瓜、可可、苦瓜和西葫芦的相似性最高。JhsHSP、JhHSP70、JhHSP90Ⅰ和JhHSP90Ⅱ序列启动子均含有低温胁迫响应作用元件(LTRE),说明这些蛋白在金皇后哈密瓜应对冷胁迫过程中起着积极作用。实时荧光定量PCR结果与蛋白组学结果基本一致,其中,3℃贮藏下金皇后哈密瓜JhHSP70和JhHSP90Ⅰ的表达量远远高于与0.5℃和21℃,预示着它们可能在响应冷胁迫的过程中发挥着重要作用。
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