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生长发育与胁迫应答,是目前植物研究领域的两大主题。前者关注植物的自我调控,后者则聚焦于植物与环境的互作。近年来围绕植物生长发育和胁迫应答的研究,已获重要进展,发现了许多重要基因和调控通路;而关于发育与胁迫的关系,则比较复杂。一方面,胁迫可以影响营养物质的积累和细胞的分裂分化,进而调控植物的生长发育;另一方面,植物可以通过调控根系、叶片的发育,提高对胁迫的耐受能力;此外,调控发育与胁迫应答的机制也是密切相关的,许多胁迫应答相关基因或通路在调控生长发育的过程中也具有重要作用。在育种中,这种相关却导致了提高抗性与保证产量之间的矛盾。因此,研究生长发育与肋胁迫应答调控机制的异同,能够加深对植物与环境关系的认知,具有重要的理论意义;同时,找到抗逆与发育调控的共有节点,筛选促进抗逆却不抑制发育的功能基因,在育种中具有重要的应用价值。本实验室前期研究中,将普通六倍体小麦与长穗偃麦草进行了非对称体细胞杂交,通过遗传渐渗,获得了许多具有不同变异表型的子代株系。其中,山融3号(SR3)和山融4号(SR4)对盐碱胁迫均表现出明显抗性,并且叶片和根系的生长发育也优于亲本JN177,已经分别审定山东省耐盐新品种和申报农业部耐碱新品种保护,为我们研究小麦中生长发育和盐碱胁迫应答的调控机制,并探究两类机制间的相关性提供了特殊研究材料。前期研究中,通过分析胁迫下渐渗系的转录组和蛋白组,已经鉴定到SR3的耐盐碱主效候选基因Tasro1等重要功能基因,并且发现DNA甲基化等表观修饰与渐渗系的抗逆能力密切相关;然而,有关渐渗系的发育调控机制,以及其与胁迫应答调控的联系,尚未探究。而同样作为表观遗传的重要因素,miRNA在渐渗系发育与抗逆中的调控作用也非常值得研究。有鉴于此,本研究利用已有转录组数据,结合miRNA测序的数据,从组学水平分析SR3、SR4中盐碱应答和发育相关基因的遗传及表观遗传变化;并进一步研究调控抗逆和发育的关键基因Tasro1的信号通路,探索其在SR3中协同调控抗逆及发育的具体机制。结果表明,氧化还原稳态与能量稳态在小麦盐碱胁迫与生长发育调控中均具有重要作用,而Tasro1信号通路是协同两大稳态调控的重要节点。本论文研究结果具体如下:1.小麦渐渗系转录组发育与盐碱胁迫应答相关基因的表达特征利用基因芯片和数字表达谱(DGE)测序所得转录组数据,对SR3和SR4中的基因表达进行了总体分析。一方面,通过比对SR3或SR4在正常条件下与JN177基因表达水平的差异,筛选到发育潜在相关的功能基因;另一方面,通过比较盐、碱胁迫条件下SR3或SR4与JN177中基因的表达差异,筛选胁迫应答(主要是抗性)潜在相关的基因。随后,利用BLAST2GO分别对两类基因进行了 GO聚类分析,对其所属GO类别进行了比较和解析,鉴别渐渗系中生长发育和胁迫应答所涉及功能通路的共性,主要涉及:(1)氧化还原变化,ROS产生和清除酶系相关基因发生明显变化;(2)能量代谢相关,碳水化合物代谢和ATP代谢途径基因发生变化;(3)转录水平调控,转录因子、转录元件以及表观修饰相关的基因富集。2.miRNA与小麦渐渗系根系发育及盐碱胁迫利用sRNA测序和降解组测序,对小麦miRNA进行了鉴定,进而对SR3和SR4中miRNA的表达模式以及其靶基因的调控网络进行了总体研究。我们首先比较正常条件下渐渗系与JN177中的表达差异,筛选到与发育相关的miRNA;随后,通过比较JN177中盐、碱胁迫与正常条件下的表达水平,筛选到响应胁迫的miRNA;类似地,筛选到盐、碱胁迫条件下渐渗系中相对JN177差异表达、与抗逆密切相关的miRNA。结合软件预策和降解组数据,我们筛选到三类miRNA的靶基因,并分别对其进行GO聚类分析。在此基础上,通过比较发育、响应胁迫或抗逆相关miRNA靶基因的GO类别,初步鉴定了 miRNA调控根系发育与盐、碱胁迫应答机制之间的共性:(1)与氧化还原反应以及ROS代谢的调控有关;(2)与线粒体功能以及ATP代谢的调控有关;(3)与磷酸化激酶和激素介导的信号转导调控有关;(4)与转录因子以及表观修饰因子的表达调控有关。3.小麦渐渗系调控盐碱胁迫抗性与发育的关键基因及其信号通路从具体功能基因层面,我们研究了 SR3关键抗逆基因Tasro1在小麦中协同调控胁迫应答和叶片发育的分子机制。前期研究表明,Tasro1不仅与SR3的抗逆表型紧密相关,还能够促进小麦植株的生长发育,是生长发育和胁迫应答调控的交点。而Ttsro1的抗逆功能与调节ROS代谢有关,并且与其互作蛋白TaSIN共同维持了小麦植株的氧化还原稳态。本工作中,我们从研究Tasro1和TaSIN调控小麦叶片发育的机制出发,探究生长发育与胁迫应答调控的关系,得到以下结论:(1)Tasro1可以调控叶细胞大小进而影响叶片尺寸,并且ROS的积累与该过程有一定关系;(2)Tasro1和TaaSIN在调节叶片发育的过程中相互拮抗;(3)TaSIN通过调控靶基因TaBCS1b的表达影响叶片发育;(4)TaBCS1b与互作蛋白TaLETM2拮抗调控叶片尺寸,但与ROS代谢无直接关系;(5)TTaBCS1b与TaLETM2通过拮抗调控能量代谢和细胞周期影响叶片发育。因此,小麦渐渗系SR3中,一方面通过Tasro1和TaSIN调节氧化稳态进而调控胁迫应答过程;另一方面通过TaBCS1b与TaLETM2介导能量稳态调控叶片发育;而Tasro1-TaSIN-TaBCT1b-TaLETM2信号通路则将氧化稳态与能量稳态相互整合,协调胁迫应答与生长发育。综上所述,本研究工作利用同时具有发育与抗逆表型的小麦渐渗系特殊材料,从转录组或miRNA组到具体的功能基因,从整体趋势到具体机制,对发育调控与盐碱胁迫应答的联系进行了探索。我们最终发现,氧化还原稳态与能量稳态对于小麦盐碱胁迫应答和生长发育非常关键,而两种稳态的整合对于胁迫应答与生长发育的协同调控具有重要意义。本研究促进了对发育与胁迫关系的理解,深化了有关植物与环境关系的认识,并且为培育兼顾生长特性与胁迫抗性的品种提供参考,具有重要理论与应用价值。