庐山野生油茶低温胁迫耐受性及其分子机制初探

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低温胁迫是常见的非生物胁迫之一,不仅影响植物的生长发育和地理分布,对作物的生产也会造成较大影响。低温胁迫的分子机制在草本模式植物中有深入研究,但多年生木本植物耐低温胁迫的分子机制仍未阐明;已有研究主要关注植物的冷驯化过程,关于植物冷驯化后对更低温度胁迫响应的研究不多。油茶(Camellia oleifera)是我国重点发展的第一大木本油料作物。油茶是常绿阔叶灌木或小乔木,在秋冬季节开花结果,易受低温胁迫影响,在冰雪灾害中受损和减产比较严重。我国油茶主要种植于中亚热带及其以南的低山丘陵地区,总体的种植面积与产量还不能满足油茶产业发展的目标。分布于北亚热带地区的野生油茶能耐受冬季的严寒,可以为油茶良种选育提供宝贵的遗传资源。作为常绿阔叶的多年生木本植物,野生油茶耐低温胁迫的分子机制仍不清楚。构建油茶低温胁迫耐受性评价体系,对野生油茶遗传资源进行评价,探究油茶耐受低温胁迫的分子机制,有助于挖掘和利用耐低温胁迫油茶遗传资源,促进油茶良种选育工作。本研究以庐山野生油茶和各地部分主栽油茶良种为材料,用人工气候箱对油茶叶片进行低温胁迫处理,使用相对电导率作为单一生理指标构建实验体系,评价不同油茶的低温胁迫耐受性;同时对人工气候箱低温处理实验样本进行高通量转录组测序,分析低温胁迫下差异表达基因主要涉及的功能通路;结合野外采集的自然生境低温胁迫下庐山野生油茶样本的转录组分析,筛选油茶耐受低温胁迫的关键基因。本研究的主要结果和结论如下:1、开发了一套可用于高效评价油茶低温胁迫耐受性的实验体系,以秋冬季冷驯化后的油茶叶片为实验材料,在人工气候箱中设定-10℃为固定的低温处理条件,按时间梯度多次取样检测其相对电导率,通过比较不同油茶叶片在低温处理过程中相对电导率的变化趋势,可初步推断油茶低温胁迫耐受性的强弱。2、使用构建的实验体系评价了庐山野生油茶及各地部分主栽油茶良种的低温胁迫耐受性。实验结果表明,各油茶品种低温胁迫耐受性的强弱顺序为:庐山高海拔油茶>大别山2号油茶>华硕油茶>大别山1号油茶>鄂油81号油茶>鄂油465号油茶>庐山低海拔油茶>鄂油102号油茶>长林40号油茶>鄂油151号油茶>湘林1号油茶>大别山3号油茶>赣无1号油茶。其中,庐山野生油茶,尤其是庐山高海拔地区分布的野生油茶,表现出了较强的低温胁迫耐受性;大别山系列、鄂油系列等主要来自北缘分布区的栽培油茶同样显示出了一定的低温胁迫耐受性。3、基于两年的人工气候箱低温胁迫实验样本的转录组分析,发现实验中不同低温胁迫耐受性的油茶经相同低温处理时,“植物的MAPK信号通路”、“植物激素信号转导”等植物响应冷信号的相关通路富集的基因数量与基因表达水平都有明显差异;这与自然生境低温胁迫下样本的转录组分析结果整体一致,说明油茶响应冷信号的能力是影响油茶低温胁迫耐受性的关键因素。4、转导冷信号的MAPK(Mitogen-Activated Protein Kinase)信号通路相关基因与油茶低温胁迫耐受性密切相关。筛选出MAPK信号通路基因PB.34873.1,低温胁迫下耐受性强的油茶该基因的表达水平较高,且室内实验和野外实验均显示出一致的基因表达模式,确定该基因是油茶耐低温胁迫的关键基因。本研究有助于耐低温胁迫油茶遗传资源的挖掘和利用,并为油茶等多年生木本植物耐低温胁迫的分子机制研究提供了重要参考。
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