蒙古栎幼苗对主要栽培措施的生理响应及转录组分析

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蒙古栎(Quercus mongolica)是中国北方常见的建筑用材和园林绿化树种,具有较高的经济与生态价值。由于分布较北,从高海拔山区引种到低海拔平原地区,蒙古栎幼苗期存在生长不良、叶片黄化等现象。采取有效的栽培措施是提高苗木质量的关键。为了研究蒙古栎对不同栽培措施的复杂响应,本文以3年生蒙古栎实生苗为研究对象,比较分析了蒙古栎对不同遮荫度(S)、修枝方式(P)、灌水量(W)和施肥量(F)4种栽培措施的适应性。分别对S处理(全光照、40%、20%、3%光照强度)、P处理(不修枝、平茬、去除所有侧枝、去除基部到苗高1/3侧枝)、W处理(不灌水、依次灌水1次、2次、3次、4次、5次)和F处理(不施肥、施肥2g/株、4g/株、6g/株)下蒙古栎苗进行生长、光合特性、生理指标测定以及转录组测序。从生理和分子水平上揭示蒙古栎对不同栽培措施的响应机制,为实现蒙古栎在平原区高效育苗提供理论和实践参考。主要研究结果如下:(1)与不遮荫对照相比,遮荫处理促进了蒙古栎苗高、地径的生长,在S2(40%光照强度)处理中观察到最大值,S3处理(3%光照强度)对苗木的生长产生抑制作用。遮荫提高了 S1、S2的叶面积,但降低了比叶重;S3处理的叶面积最小且趋于变厚。遮荫增加了 S1、S2叶片的叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a+b(Chla+b)、类胡萝卜素(Car)的含量,但叶绿素a/b(Chla/b)比值降低。S2处理下叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)值显著大于对照,S3处理下差异不显著。遮荫下叶片丙二醛(MDA)和相对电导率(REC)先降低后升高,在S2中观察到最低;抗氧化物酶活性、渗透调节物质随遮荫度的增加呈先增后降的趋势,均在S2中观察到最高值,说明S2处理提高了抗氧化酶的活性且促进了渗透调节物质的合成。(2)不同遮荫处理的叶片RNA-Seq共检测到了 3726个DEGs,其中Sck-S1有1691 个 DEGs(1181 个上调,510 个下调),Sck-S2 有 3150 个 DEGs(1635 个上调,1515个下调),S1-S2有824个DEGs(307个上调,517个下调)。确定了涉及类胡萝卜素生物合成、光合作用天线蛋白和MAPK信号转导等通路在不同遮荫处理下的常见表达调控。结果表明,遮荫诱导光捕获复合物中基因表达量增加,且与光合作用系统中基因表达的改变有关,从而导致光合生理作用的变化。此外,与ROS信号感知和激活酶相关基因的表达量在Sck处理中上调。(3)修枝促进了蒙古栎苗高、地径的生长,其中P1(平茬)处理对主干苗苗高、地径、叶面积、叶片相对含水量促进作用最明显,丛生苗中P2(去除全部侧枝)处理对苗高、地径、叶面积、相对含水量有明显促进作用。生理测定表明,修枝处理较对照不修枝显著提高了蒙古栎的Pn和Tr,但降低了 Chl含量。修枝有助于激活细胞内抗氧化系统,P处理叶片的抗氧化酶活性显著高于对照;MDA和REC含量均低于对照;渗透调节物质随修枝强度的增加逐渐增加。合理修剪还有效降低苗木冠长率(冠长与树高的比值),显著改善蒙古栎的干形。(4)灌水量试验中,W2(灌水2次)相对于其它处理对蒙古栎的苗高、地径、叶面积、叶片相对含水量有更明显的促进作用;然而随着灌水次数的增加促进作用逐渐降低。生理测定表明,灌水处理的叶片Pn、Gs、Tr值以及Chla、Chlb和Chla+b含量随着灌水次数的增加呈先增后降的趋势,均在W2中观察到最高值。W处理中叶片MDA和REC含量随灌水次数的增加先减后增;相反,抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量随灌水次数的增加呈先增后减的趋势。(5)肥力水平提高时蒙古栎的苗高、地径和叶片相对含水量均显著增加,在FB(4g/株)观察到最大值;但施肥量过高时促进作用下降。生理测定表明,施肥处理的蒙古栎苗叶片Pn、Gs和Tr逐渐增加,但随着施肥量的继续增加,光合参数值逐渐下降。适当的施肥量能增加蒙古栎叶片光合色素的含量,在FB中观察到最高的色素含量,但施肥量的继续增加会降低光合色素含量。F处理中叶片MDA和REC含量随施肥量的增加呈先减后增的趋势,而抗氧化酶活性和渗透调节物质含量先增后减;此外,施肥显著提高了叶片和土壤的养分含量。(6)P、W和F三个栽培措施的叶片RNA-Seq分析表明,修枝处理(P)有1012个DEGs,灌水量处理(W)有1035个DEGs,施肥量处理(F)有1175个DEGs,鉴定的DEGs主要富集在应激反应、信号转导相关的GO项中。加权基因共表达网络分析(WGCNA)显示,特定基因模块分别与MDA(1个模块)和可溶性糖(4个模块)呈显著相关。同样,GO富集分析揭示了应激反应相关的GO项在MDA相关模块中的过度表达。MDA和可溶性糖相关模块中差异表达的中心基因的功能注释揭示了蒙古栎可以通过改变信号转导、植物激素、活性氧、代谢、功能蛋白、光响应、转录因子来响应和适应不同栽培措施。应激相关蛋白HOP3、dnaJ、HSP基因,信号转导相关基因CIPK11,转录因子WRKY、HSF、bHLH位于构建网络的核心,且都在应激反应中起关键作用。
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