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钾是植物生长所需元素之一,在植物生长发育过程中有着重要作用。我国土壤缺钾的状况仍未得到有效解决,已经成为影响作物产量和品质的限制性因子之一。西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai]是我国重要的园艺作物,在全国各地均有广泛种植。西瓜在其生长发育中需要大量的钾元素,土壤缺钾问题己经成为我国西瓜生产中重要的限制因子。本研究通过对嫁接西瓜进行短期和长期低钾胁迫处理,从嫁接西瓜生长生理、果实产量及品质、叶片和果实的转录组及果实代谢组等方面来阐明嫁接提高西瓜耐低钾性的生理和分子机理。本研究的主要结果如下:1.砧木嫁接维持叶片较高的光合特性、抗氧化活性和根系钾吸收效率,是砧木嫁接缓解低钾胁迫对西瓜嫁接苗生长抑制的重要原因。以栽培西瓜品种“早佳8424”(Z)、野生西瓜砧木“勇士”(Y)、葫芦砧木“京欣砧一号”(J)和南瓜砧木“青研砧一号”(Q)为材料构建四个嫁接组合:Z/Z(西瓜自嫁)、Z/Y(勇士嫁接西瓜)、Z/J(京欣砧一号嫁接西瓜)和Z/Q(青研砧一号嫁接西瓜)。分别用正常供钾(6 mM K~+)和低钾胁迫(0.1 mM K~+)处理16 d,营养液栽培,研究嫁接西瓜对低钾胁迫响应。结果表明,低钾胁迫导致叶面积减少,干重降低,根系表面积、根系平均直径和根体积显著下降,西瓜嫁接苗的生长受到抑制。在0.1 mM K~+时,异源砧木嫁接能缓解低钾胁迫对西瓜嫁接苗生长抑制。低钾胁迫导致嫁接西瓜光合速率下降,活性氧积累,引起细胞膜脂过氧化,影响细胞正常生理生化功能。异源砧木嫁接一方面提高了西瓜嫁接苗在低钾胁迫下的抗氧化酶(SOD、CAT和APX)活性,有效地清除活性氧,降低膜脂过氧化程度,使其在低钾胁迫下能够维持正常的生长发育。另一方面,异源砧木利用其强大的根系,提高了低钾环境下的钾吸收量,增强了钾效率。2.叶片中光合和氧化还原相关基因在转录水平差异表达是嫁接西瓜耐低钾性的主要分子机制。比较了嫁接西瓜Z/Q和Z/Z叶片转录组对低钾胁迫(0.1 mM K~+)16 d的响应,正常钾浓度为6 mM K~+,营养液栽培。在Z/Z叶片中检测到3223个差异表达基因(699个下调表达,2524个上调表达)。Z/Q中检测到2887个差异表达基因(715个下调表达,2172个上调表达)。GO(Gene Ontology)功能富集分析表明,差异基因功能涉及氧化还原、碳水化合物代谢、磷酸化、细胞识别、光合作用的光反应和光合电子传递等生物学过程。KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)代谢通路分析表明,差异表达基因显著富集在光合作用、次生代谢产物的生物合成、氨基酸的生物合成、淀粉和蔗糖代谢等代谢通路。低钾胁迫导致光系统I、光系统II、电子传递链及碳同化产物代谢相关基因的下调表达,是低钾诱导光合下降的重要机制。低钾胁迫下,异源砧木嫁接西瓜叶片转录组中抗氧化酶和抗氧化物质的相关基因,如过氧化物酶基因、谷胱甘肽转移酶基因、谷胱甘肽过氧化物酶基因等上调表达,这可能是异源砧木嫁接西瓜抗氧化活性比自嫁西瓜高的原因。3.低钾胁迫下,砧木嫁接提高了西瓜单果重和果实品质。以Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q为材料,基质栽培,用正常供钾(6 mM K~+)和低钾胁迫(0.1 mM K~+)处理60 d,研究低钾胁迫对嫁接西瓜果实产量和品质的影响。结果表明,低钾胁迫降低了嫁接西瓜单果重和果实品质(授粉后30 d成熟果实)。在2种钾浓度下,Z/Y、Z/J和Z/Q的钾吸收量和单果重均显著高于Z/Z。在低钾胁迫下,异源砧木嫁接西瓜的果实品质优于自嫁西瓜,可溶性固形物、蔗糖、Vc、β-胡萝卜素的含量高于自嫁西瓜。砧木嫁接西瓜叶片ZR(玉米素核苷)含量和叶绿素含量(SPAD)高于自嫁接西瓜。异源砧木嫁接西瓜通过低钾胁迫下根系对K~+的高效吸收和地上部维持较高的ZR含量,缓解低钾胁迫对西瓜生长发育的抑制作用。4.自嫁西瓜果实转录组对低钾胁迫更敏感。比较了嫁接西瓜Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q在2种钾浓度(6 mM K~+,0.1 mM K~+)下果肉转录组,基质栽培。和正常供钾(6 mM K~+)相比,低钾(0.1 mM K~+)胁迫下,Z/Z嫁接西瓜果实有670个差异表达基因(451个上调表达,219个下调表达);Z/Y嫁接西瓜果实有27个差异表达基因(7个上调表达,20个下调表达);Z/J嫁接西瓜果实有16个差异表达基因(6个上调表达,10个下调表达);Z/Q嫁接西瓜果实有15个差异表达基因(11个上调表达,4个下调表达)。Z/Z果实转录组对低钾胁迫更敏感。GO功能富集分析表明,Z/Z中差异基因主要富集在甘油磷酸二酯酶活性、多元醇代谢、单生物体糖代谢、细胞糖代谢、甘油代谢等过程。KEGG代谢通路分析表明,差异基因主要富集在牛磺酸和亚牛磺酸代谢、DNA复制、植物激素信号转导、光合生物中的碳固定、氮代谢等代谢途径。5.异源砧木嫁接能提高西瓜果实一些功能性物质的含量。以Z/Z、Z/Y、Z/J和Z/Q为材料,正常供钾(6 mM K~+)和低钾胁迫(0.1 mM K~+)处理,基质栽培,研究嫁接西瓜果肉代谢组。共鉴定出38种代谢物,其中包括15种氨基酸、8种有机酸盐、6种糖、4种核酸、5种其他化合物。最丰富的五种代谢物是葡萄糖、果糖、蔗糖、瓜氨酸和谷氨酰胺。在正常供钾下,野生西瓜嫁接提高了腺苷、蛋氨酸的含量;葫芦嫁接提高了腺苷、瓜氨酸、葡萄糖、蛋氨酸的含量;南瓜嫁接提高了天冬酰胺,瓜氨酸、富马酸、谷氨酰胺、异亮氨酸、蛋氨酸、氧化型辅酶Ⅰ、苯丙氨酸、酪氨酸、缬氨酸的含量。低钾胁迫下,野生西瓜嫁接提高了天冬酰胺、氧化型辅酶Ⅰ、肌醇和丙氨酸的含量;葫芦嫁接提高了天冬酰胺、半乳糖和丙氨酸的含量;南瓜嫁接提高了肌醇、天冬酰胺的含量。综上所述,砧木嫁接是提高耐低钾性的重要措施。砧木嫁接提高了西瓜在低钾胁迫下根系钾吸收效率和的抗氧化能力;维持叶片较高的光合能力玉米素核苷的含量,是嫁接西瓜耐低钾的重要原因。砧木嫁接还是提高西瓜果实营养品质的主要手段。本研究发掘的低钾响应基因为未来开展西瓜的钾营养分子机制研究工作奠定了基础。