欧美杨107杨盐胁迫响应及转录组分析

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随着测序技术不断发展,应用通量高、检测范围广的Illumina测序技术进行转录组分析成为研究热点,可以利用转录组学技术全面深入了解植物的抗逆分子机制。为了阐明杨树应对盐胁迫的耐性形成途径,进一步揭示杨树抗盐胁迫的形成机理,为杨树抗盐育种提供理论指导,本研究选取我国北方平原地区应用的主要杨树无性系品种107杨及转复合多基因(Bt Cry1Ac+Bt Cry3A+BADH)107杨为试验材料,通过测定非转基因和转基因株系幼苗在盐胁迫下的生长与生理指标,分析幼苗对盐胁迫的响应情况及耐受能力,利用高通量测序技术对不同盐浓度处理的107杨幼苗进行转录组分析,并结合部分生理指标挖掘耐盐基因。主要研究结果如下:(1)对不同浓度Na Cl处理的107幼苗生长及生理指标检测结果表明,低盐浓度(3‰)处理下,107杨幼苗生长受到了抑制,但影响较小。叶绿素含量、质膜透性均小幅度增加,净光合速率、PSII实际光合效率(YII)、PSII的电子传递速率均受盐害影响,呈现小幅度降低,107杨幼苗受盐害影响较小,表现出较好的适应性。高盐浓度(6‰)处理下,107杨幼苗生长指标降低显著,质膜透性显著增大,叶绿素含量、净光合速率、PSII实际光合效率(YII)、PSII的电子传递速率均受到显著抑制,此时107杨幼苗遭受严重的盐害。(2)转基因107杨在3‰低浓度盐胁迫下表现出良好的适应性,耐盐性优于107杨。在6‰高浓度盐胁迫下转基因株系与对照107杨均受到较大盐害,转基因株系未表现出优势。盐胁迫可以诱导外源Bt基因、BADH基因表达加强。(3)通过转录组前期RNA质量检测、测序数据过滤、质量评估,保证了后期转录组测序较高的准确性和可信性;数据过滤后共得到2.35亿clean reads,总数据量约为31.5G,Q20、Q30值分别高于99.08%、96.70%,保证了后期序列比对及分析结果可靠性。与对照毛果杨基因组进行比对,比对效率达64.561%~70.69%。通过差异基因筛选,pop3(3‰盐浓度处理)与pop6(6‰盐浓度处理)分别获得292、3284个差异基因,pop3与pop6共同表达199 DEGs。与3‰低盐浓度处理相比,6%高盐浓度处理下,107杨存在大量胁迫诱导基因差异表达。q RT-PCR验证反应的特异性与重复性很高,表明转录组结果可靠。(4)GO注释、KEGG富集分析结果表明,在不同盐浓度处理下,107杨抗盐机制不同,与低盐浓度处理相比,高盐浓度107杨存在更多的抗盐代谢途径,包括柠檬酸循环(TCA循环)、萜类化合物生物合成、黄酮和黄酮醇的生物合成、类胡萝卜素、玉米素、钙信号转导等重要抗盐相关途径。研究挖掘了盐胁迫下影响光合作用电子传递的相关基因以及谷胱甘肽、萜类化合物生物合成途径中响应盐胁迫的关键酶基。(5)研究挖掘了107杨响应盐胁迫的关键酶基因。分析结果表明,高盐浓度下Psb K、Psb Y蛋白合成基因显著下调表达可能是造成Pheo与QA的电子传递效率降低,进而影响光合能力的原因,且Psb R、Psb K、Psb Y蛋白功能与Pheo和QA间电子传递相关。GSH-Px与GST基因在提高植物对非生物胁迫耐受性的工程育种中具有巨大应用潜力。(6)通过比对鉴定,共得到52个盐胁迫高度密切相关的转录因子,其中24个新转录因子。52个转录因子均受盐胁迫诱导,但转录因子的表达模式并不一致,其具体参与的调控网络及功能有待进一步研究验证。
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