【摘 要】
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葡萄是我国重要的经济作物,北方地区层出叠现的春季晚霜和冬季极端低温,是影响葡萄种植区域、产量和品质的主要因素之一。随着植物激素与植物抗逆性的深入研究,发现激素积极参与调节植物与环境的相互应答。水杨酸(Salicylic acid,SA)作为一种植物激素,影响植物的新陈代谢及对环境的响应,外源应用可提高植物应对多种逆境胁迫的抗性。但内源SA是否在葡萄中响应低温信号的调控;外源施用SA能否增强其生理抗
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葡萄是我国重要的经济作物,北方地区层出叠现的春季晚霜和冬季极端低温,是影响葡萄种植区域、产量和品质的主要因素之一。随着植物激素与植物抗逆性的深入研究,发现激素积极参与调节植物与环境的相互应答。水杨酸(Salicylic acid,SA)作为一种植物激素,影响植物的新陈代谢及对环境的响应,外源应用可提高植物应对多种逆境胁迫的抗性。但内源SA是否在葡萄中响应低温信号的调控;外源施用SA能否增强其生理抗性以及施用的最佳浓度鲜有报道;SA信号影响葡萄抗寒性的分子调控方式亦不明确。本研究以酿酒葡萄品种‘Beta’为实验对象,通过室内模拟低温和外源喷施处理,探究内源SA与低温胁迫的相互应答及外源SA信号对葡萄幼苗抗寒性的调控作用。同时转录组学进一步分析外源SA信号如何影响低温下各种代谢通路来共同调控葡萄的抗逆性,对提高酿酒葡萄品种抗冻性及葡萄的栽种具有重要意义,为筛选抗寒相关基因及未来利用生物技术进行转基因培养新的耐寒葡萄品种奠定基础。具体结果如下:(1)通过研究低温胁迫对葡萄幼苗膜氧化程度、抗氧化酶活性及内源SA含量的影响,结果发现:4℃、12℃相较于25℃而言,MDA含量明显增加,保护酶SOD、POD、CAT活性及内源SA含量显著上升。4℃相较于12℃而言,抗氧化物酶活性及内源SA含量均明显增加。利用逐步回归分析法发现低温下叶片内源SA与MDA含量(R~2=0.648)、SOD(R~2=0.847)、POD(R~2=0.436)、CAT(R~2=0.584)活性呈正相关。恢复常温生长后抗氧化酶及内源SA含量没有明显降低,在减缓低温胁迫对幼苗的破坏中发挥了持续性的作用。(2)通过研究外源SA处理对低温下葡萄生理特性及冷应答基因表达的影响,结果表明:4℃处理0至4d时幼苗株高、叶片鲜重及干重下降,MDA及叶绿素含量明显降低,抗氧化酶活性上升,脯氨酸和可溶性糖含量积累。外源SA处理改善了幼苗在4℃下的生长抑制,明显提高了光合色素含量、可溶性糖和脯氨酸含量、抗氧化酶活性及冷响应基因的表达,缓解了低温对葡萄幼苗的冷害。确定了外源施用SA的最佳浓度为1mmol/L。(3)通过研究外源SA及抑制剂处理对低温下葡萄叶片解剖结构、光合特性及内源SA含量的影响,结果表明:4℃相较于25℃而言,幼苗叶片厚度、叶肉厚度、栅栏组织、海绵组织及上表皮细胞厚度均明显降低,光合和叶绿素荧光参数Pn、Tr、Gs、Fv/F0、Fv/Fm、qp也明显下降。内源SA含量显著增加;与4℃相比,抑制剂ABT处理明显降低了低温下各组织结构厚度及光合参数变化;而外源SA处理明显增加了低温下叶片栅栏组织、海绵组织、下表皮细胞和叶肉厚度,提高了Pn、Tr、Gs和NPQ等参数,同时也增加了内源SA含量。外源SA对葡萄叶片在低温下的光合特性、组织结构及内源SA的合成均有明显的促进作用。葡萄幼苗叶片内源SA的合成不仅受低温的诱导,同时可能也受外源SA的正向调控。(4)通过对外源SA调控低温胁迫下葡萄幼苗抗寒性的转录组分析,结果表明:外源SA诱导低温下幼苗叶片的差异表达基因有不同的抗逆途径,共筛选出1918个差异表达基因,503个上调,1415个下调。根据生物学功能分类与逆境反应相关的差异基因包括光合反应、保护酶清除系统、渗透有机物质的积累、钙信号及植物激素信号的传递与转导、碳水化合物的代谢等。主要富集在植物激素信号转导、苯丙氨酸代谢、苯丙酸类物质的生物合成、淀粉和蔗糖代谢等。qRT-PCR验证了14个差异基因表达水平,与FPKM值基本趋势一致。以上研究结果表明,SA信号可能通过对各类激素信号分子、Ca2+、MAPK、ROS等的调控,同时启动了与低温信号关联的转录因子(CBFs、bHLH、MYB)的表达来调控下游应答基因如光合反应基因、抗氧化酶清除相关基因、渗透有机物质生物合成与分解相关基因、冷应答基因的表达。通过这些相关基因的表达与修饰,缓解了低温下的葡萄幼苗生长抑制水平,提高了光合反应效率和渗透物质的积累程度,增强了抗氧化酶活性及内源物质含量,维持植物体内生理代谢平衡,减缓了低温胁迫对葡萄幼苗生长及生理的损伤,最终使葡萄的抗寒性得到提高。
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