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杨树耐涝生理和分子机理研究

来源：花匠小妙招时间：2025-01-06 18:09

杨树耐涝生理和分子机理研究

【摘要】： 涝渍地是易受到洪涝灾害影响的土地资源的总称,这些土地介于浅水域和旱地之间,广泛地分布在长江和黄河的中下游地区。淡水涝渍地中的大部分为滩地,水肥条件优良,具有较大的生产潜力和生态功能,但每年夏季往往有1-3个月被淹没,种植农作物收成低,而采用植树造林或者农林复合的利用方式则可以带来稳定的经济效益。营造人工林是治理和利用滩地的有效手段,不仅可以缓解林地资源匮乏的问题,还能进行水源涵养、水土保持、生物多样性保护、水质净化等。杨树具有较强的耐水湿特性,是长江中下游平原水网区以及季节性淹水滩地工业原料林、生态防护林建设的首选树种之一。然而,淹水胁迫仍是滩地杨树生长的主要限制因子,长期的淹水胁迫也会对杨树的生长甚至生存造成严重的影响。为了培育耐涝、速生的杨树新品种用于淡水涝渍地区造林,鉴定调控杨树耐涝性的关键基因显得十分迫切而有意义,而阐明杨树的耐涝机理是解决这一问题的关键所在。为了研究杨树耐涝的机制以及筛选出对杨树的耐涝性起到关键调控作用的基因,我们从44个I-69杨(Populus deltoides cv.Lux ex.I-69/55)×小叶杨(P.simonii)杂交F1子代中,筛选出最耐涝和最不耐涝的子代各一个,并以这两个耐涝性存在显著差异的全同胞子代为试材,从形态学、解剖学、代谢组学以及基因转录调控等不同层次系统地研究了两者间耐涝性差异产生的机理,以期揭示杨树耐涝的生理和分子机理,筛选抗涝相关候选基因,并对候选基因进行克隆及遗传转化,得到的主要研究结果如下:1.将44个F1子代的扦插苗进行人工淹水处理50 d,并排水恢复7 d。44个无性系在淹水胁迫下的存活率、存活时间和生长量等方面均有显著的差异,变异幅度大。利用存活率、存活时间和生长量等指标对44个无性系的耐涝性进行综合评价,选出了耐涝性最强的LS68和耐涝性最弱的LS81。LS68在淹水处理下生长受到的抑制程度低、存活时间长、存活率高,符合耐涝型植物的特征,而LS81在淹水处理下生长受到严重的抑制,且迅速死亡,淹水结束时无存活植株,符合对淹水胁迫敏感的植株的典型特征。2.以耐涝型无性系LS68(重新命名为LS1)和敏感型无性系LS81(重新命名为LS2)为试材,对其组培移栽苗进行15 d人工淹水处理,并排水恢复3 d。所有淹水植株的形态、生长量、生理生态特性和解剖结构均受到了淹水胁迫的影响。与LS1相比,LS2在淹水胁迫下受到了更严重的伤害,且在排水恢复期间恢复更慢,表现在形态特征、生物量积累、叶片气体交换参数、叶绿素荧光参数、相对电导率、MDA含量和根系活力等方面。LS2的叶片和细根的细胞结构与超微结构受淹水胁迫的损伤也比LS1更早,更严重,具体表现在叶片栅栏组织细胞的变形、根系皮层薄壁细胞的大量裂解,以及细胞核和大部分细胞器的降解等方面。与LS2相比,LS1在淹水胁迫下能保持更好的解剖结构,对其在淹水胁迫下的生长和存活更有利。细根解剖结构在淹水胁迫下受到的伤害比叶片更早,也更严重。根系中过快地形成通气组织,并伴随着严重的皮层薄壁细胞裂解,造成皮层结构溃散,正常生理活性的细胞大量减少,这对植物在淹水胁迫下的存活极为不利。3.通过对LS1和LS2的组培移栽苗进行人工淹水处理,采用转录组、代谢组和生理生化等分析方法,初步总结出了3个可能造成LS1和LS2耐涝性差异的重要特征。(1)在LS1中,乙醇发酵主导了整个无氧呼吸过程,乳酸发酵仅在无氧呼吸启动时发生;在LS2中,乳酸发酵持续保持着高活性。(2)通过转录组分析,筛选出了13个在淹水胁迫中与能量或O_2消耗有关的差异表达基因,它们在LS1中的表达量均显著低于LS2,这些基因编码的产物参与了蔗糖降解、氨基酸代谢、脂肪酸β-氧化、硫同化等代谢过程。这些代谢过程会消耗大量的能量或O_2。LS1中低活性的耗能/O_2代谢有助于其在淹水胁迫下存活得更久。(3)LS1在淹水胁迫下表现出比LS2更强的活性氧清除能力。在LS2中低水平的SOD活性条件下,谷胱甘肽含量过高(对照的163.1%),以及天冬氨酸氧化酶编码基因POPTR_0001s34980和乙酰辅酶A氧化酶编码基因POPTR_0016s12540上调表达,造成LS2中的活性氧含量在淹水处理的第1 d较对照显著升高(如H_2O_2)。另外,大量的转录因子也在LS1和LS2中显著差异表达,其中AP2/ERF家族的3个转录因子基因Pt.ERF87、Pt.RAP7和Pt.DREB16可能参与杨树抗涝性的调控,将其定为抗涝候选基因。4.采用qRT-PCR方法对3个抗涝候选基因(Pt.ERF87、Pt.RAP7和Pt.DREB16)在LS1和LS2淹水植株中的表达量进行检测,结果与转录组测序结果相符。将这3个基因进行克隆,并与拟南芥的AP2/ERF家族基因构建系统发育树,结果表明Pt.RAP7可能参与糖酵解和脂肪酸代谢的调控;Pt.DREB16可能参与杨树对水分胁迫的响应。随后,采用Gateway方法构建了这3个基因的超表达载体和RNAi(RNA interference)干涉载体,并转化了农杆菌C58。通过农杆菌介导法,对南林895杨(P.×euramericana‘Nanlin 895’)叶片进行遗传转化,得到Pt.ERF87-OE、Pt.ERF87-RNAi、Pt.RAP7-OE、Pt.RAP7-RNAi、Pt.DREB16-OE和Pt.DREB16-RNAi的转基因阳性苗共35株,其中24株有明显的目标基因超量表达或RNAi干涉效果,为后续目标基因的功能分析奠定了重要基础。

【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018