【摘 要】
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干旱是影响植物生长发育最常见和主要的非生物胁迫因子,通常会引起植物机体缺水,细胞脱水质壁分离,细胞膜、酶系统损坏,细胞功能丧失、代谢紊乱等系列生理变化,最终改变植物的生长发育方向。特别是在西南干湿季分明的地区,干旱往往成为观赏植物在园林应用中面临的主要环境障碍。杜鹃花是著名的木本花卉,其在园林绿化中具有重要的应用价值,但目前关于杜鹃花在园林应用与引种栽培中对干旱胁迫的响应研究鲜有报道。鉴于此,本论
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干旱是影响植物生长发育最常见和主要的非生物胁迫因子,通常会引起植物机体缺水,细胞脱水质壁分离,细胞膜、酶系统损坏,细胞功能丧失、代谢紊乱等系列生理变化,最终改变植物的生长发育方向。特别是在西南干湿季分明的地区,干旱往往成为观赏植物在园林应用中面临的主要环境障碍。杜鹃花是著名的木本花卉,其在园林绿化中具有重要的应用价值,但目前关于杜鹃花在园林应用与引种栽培中对干旱胁迫的响应研究鲜有报道。鉴于此,本论文以西南特有且极具园林应用开发潜力的大王杜鹃(Rhododendron rex Levl.)为研究对象,通过室内模拟干旱胁迫,分析不同干旱程度下其叶片气孔、生理生化和光合色素等的变化,探明大王杜鹃响应干旱的生理机制;通过转录组学、加权基因共表达网络分析(WGCNA)等方法,揭示大王杜鹃对干旱胁迫响应的基因(DEGs)差异表达和相关模块基因所对应的功能及代谢途径。最终,从形态、生理生化和基因表达水平等多层次探讨大王杜鹃杜鹃响应干旱胁迫的机制,研究结果将为大王杜鹃的引种栽培与园艺利用可行方法提供科学基础,并为杜鹃的种质保护与管理科学依据。主要研究结果如下:(1)不同干旱胁迫梯度即对照组(CK:75-80%)、轻度干旱(D1:55-60%)、中度干旱(D2:40-45%)、重度干旱(D3:30-35%)的大王杜鹃幼苗叶片气孔和生理生化数据测定结果表明,干旱胁迫显著(P<0.05)影响大王杜鹃的表型和生理生化指标,随着干旱胁迫程度的增加,大王杜鹃气孔密度减小而气孔面积增大;叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量在重度干旱胁迫(D3)处理下显著性下降;丙二醛含量增加、可溶性糖和脯氨酸含量降低;φPSⅡ、ETR和q P在中度(D2)和重度(D3)胁迫下显著性降低;隶属函数分析表明,各处理间的隶属值排序为CK>D1>D2>D3,大王杜鹃幼苗各处理的平均值为0.4815,推测其属于中抗型。(2)基于Illumina Hi Seq测序平台对大王杜鹃不同干旱胁迫处理的转录组(RNA-Seq)测序分析表明,不同干旱胁迫分别获得52312048、50617448、45575733、48856750个高质量Clean reads,共有72118(48.68%)个Unigene成功注释到公共数据库。基于DESeq2对大王杜鹃四个处理组的显著差异性表达基因(DEGs)分析共获得1536个差异表达基因,不同干旱胁迫处理(D1、D2和D3)与从对照组的两两差异分析分别获得176个、228个和1132个DEGs。显著差异基因的功能富集分析表明,这些差异基因主要参与了碳水化合物代谢过程、植物-病原体相互作用、对刺激的反应、苯丙烷生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、植物激素信号转导和卟啉与叶绿素代谢等过程;与对照组相比,干旱胁迫促进了大王杜鹃柠檬酸循环、代谢(其他次生代谢产物的生物合成、碳水化合物代谢、辅助因子和维生素的代谢)、信号转导等相关基因上调表达,而环境适应和脂质代谢相关基因下调表达。(3)不同程度干旱胁迫下大王杜鹃的WGCNA(加权基因共表达网络分析)分析显示,从16个大王杜鹃样本中选取19541个基因共构建9个共表达模块,其中有6个模块分别与各表型及生理生化指标显著相关。对富集于这6个不同模块的基因进行GO和KEGG富集分析,结果表明Brown模块显著富集到光合作用、卟啉叶绿素代谢和叶绿素的生物合成过程等通路,Blue和Black模块都显著富集到了植物-病原体相互作用,Green和Red模块都显著富集到植物激素信号转导通路。综上研究结果表明,干旱胁迫下,大王杜鹃的气孔密度、气孔面积及丙二醛、脯氨酸、叶绿素等生理生化指标与叶绿素荧光参数有相应的响应变化,综合指标推测该植物是中抗型干旱适应植物,在引种栽培时应尽量维持栽培环境不出现极度干旱。RNA-Seq分析亦表明,大王杜鹃通过调节与碳水化合物代谢过程、光合作用、ROS系统、渗透调节相关的基因表达来响应干旱胁迫。
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