冻害胁迫下马铃薯叶片中酚酸类物质研究.pdf
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1、云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 3(5):1 3-1 8 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 3-0 6 0冻害胁迫下马铃薯叶片中酚酸类物质研究*暴会会,思彤,付婉婷,刘希,罗永超,祝光涛*(云南师范大学 生命科学学院,马铃薯科学研究院,云南省马铃薯生物学重点试验室
2、,云南 昆明6 5 0 5 0 0)摘要:马铃薯野生种S o l a n u mc o mm e r s o n i i(CM)具有很强的抗冻性,对低温处理下不同时间点的抗寒材料CM及冷冻敏感材料S t G pP h u r e j a(DM)取样,进行转录组及代谢组测序,对1 1 6种酚酸类物质进行差异分析.结果表明,1 1种酚酸物质与抗寒材料CM的耐寒性相关,转录组关联分析筛选出3 6个转录因子与1 1种核心差异酚酸物质有相似的表达模式,响应马铃薯低温下的表达调控.关键词:马铃薯;抗冻;代谢组;转录组;酚酸中图分类号:S 5 3 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3
3、(2 0 2 3)0 5-0 0 0 1 3-0 6 植物抗逆性指植物对逆境或者各种胁迫因子的抵抗能力,一般来说,植物在生长发育过程中会受到多种胁迫,包括生物胁迫和非生物胁迫1.低温是严重影响植物发育的最常见的非生物胁迫之一.马铃薯(S o l a n u mt u b e r o s u mL.)是世界上仅次于水稻、玉米和小麦的第四大粮食作物.马铃薯为喜凉不耐寒作物,马铃薯栽培品种大部分不耐低温霜冻,冬春季低温霜冻严重影响马铃薯的产量和品质.然而,随着全球气候变化日益加剧,极端天气频发,低温寒害对马铃薯的高产和稳产带来了严峻的挑战.我国马铃薯种植地域广泛,且一年四季均有种植,在生产中容易遭受
4、低温寒害,严重影响产量甚至绝收.目前,我国生产上广泛使用的马铃薯品种均为马铃薯普通栽培种,多为2 0世纪从国外引进的品种或近缘杂交种,品种间遗传多样性较低,遗传背景狭窄.前人对我国审定的1 1 5个主要的马铃薯栽培品种进行了抗寒能力评价,结果显示这些品种几乎都不耐低温霜冻,仅有“晋薯2号”等少数几个品种具有较微弱的抗寒能力2.因此,解析马铃薯抗寒机制及遗传特性,定位抗寒相关基因,选育抗寒能力较强的马铃薯品种不仅具有重要的理论价值,也是保障我国粮食安全的迫切需要3.植物次生代谢是相对于植物初生代谢而言,植物次生代谢物在植物生命活动的许多方面起着重要作用,而且许多植物次生代谢产物是植物生命活动所必
5、需的4.植物次生代谢产物种类繁多,结构迥异,根据其化学结构和性质,一般分为3大类:酚类、萜类和含氮化合物5.多酚是一类重要的特殊代谢物,在整个植物生命周期中发挥着至关重要的生理作用,它们由莽草酸或苯丙烷途径合成,该途径产生多种单体和聚合多酚6.植物酚酸是强大的抗氧化剂,可以介导非生物胁迫下植物中活性氧(R O S)的清除7-8.前人的研究发现,内源性酚酸的积累是植物应对非生物胁迫的耐受机制,已在许多植物中得到记录9-1 2.苯丙氨酸解氨酶(P A L)和查尔酮合酶(C H S)在非生物胁迫下上调,导致酚类生物合成增加1 0-1 1,最终增强植物对非生物胁迫因素的耐受性1 2-1 3.*收稿日期
6、:2 0 2 3-0 8-1 4基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 2 2 Y F F 1 0 0 2 5 0 0).作者简介:暴会会和思彤具有相同贡献.暴会会(1 9 9 5-),女,河南濮阳人,博士研究生,主要从事马铃薯分子育种与基因组学方面研究;思彤(2 0 0 2-),女,云南楚雄人,主要从事马铃薯抗寒组学方面研究.通信作者:祝光涛.E-m a i l:z h u g u a n g t a o 0 5 3 6 1 2 6.c o m.本研究对马铃薯抗寒材料和冷冻敏感材料进行不同时间的冻害处理,测定转录组及代谢组,分析酚类物质参与马铃薯抗寒的分子机制,以期深入解析马铃薯抗寒性遗
7、传调控机制,挖掘马铃薯抗寒基因,为培育抗寒马铃薯品种提供理论依据.1 材料与方法1.1 马铃薯材料处理使用的植物材料包括耐寒野生马铃薯品种S.c o m m e r s o n i i(C M)和 冷 冻 敏 感 种S t G p P h u r e j a(DM).所有材料均在添加3%蔗糖和0.3 1%琼脂的M S培养基上,6 0m o lm-2s-1,(2 01)条件下生长2周.之后将2周龄的组培苗移植到塑料盆中,种植于植物生长气候室(2 2 2),1 6h光照/8h黑暗光周期).正常生长的4周龄植株移入4冷室中,进行3d的低温驯化.再将驯化后的植株在-3下处理3h、6h和1 2h.以正常
8、条件下生长的驯化植株作为对照.取每个实验材料幼苗的叶片立即置于液氮中,每组3个生物学重复,以-8 0的温度进行存储,所有样品用于代谢组及转录组测序分析.1.2 方法1.2.1 表型鉴定以电解质渗漏作为评价DM和C M抗冻性的指标.从不同时间点采集叶片样品,并将其置于装有1 0m L蒸馏水的玻璃管中,在真空泵中泵送1 0m i n,在室温下培养3 0m i n,每1 0m i n摇动一次.使用电导率仪测量初始电导率(L 1).然后将试管在沸水中煮沸1 0m i n,冷却至室温,在恒定体积下测量电导率(L 2)的最终值.接着计算相对电导率,以确定生物膜的相对损伤程度,相对电导率=L 1/L 21
9、0 0%.至少进行3次独立实验,每组采用3个生物学重复进行.1.2.2 转录组测序和数据分析为了研究低温胁迫下DM和C M转录水平的变化,将上述样品进行R N A测序.每个叶片样品使用R N A p r e p多酚植物总R N A提取试剂盒提取总R N A,并使用D N a s eI进行处理.O D2 6 0n m/2 8 0n m比率评估R N A纯度,并通过1%琼脂糖凝胶电泳检查完整 性.根据I l l u m i n a说明,使 用1 0 0n gR N A构建R N A-s e q文库.利用逆转录酶I I(I n-v i t r o g e n)合成第一链c D N A.在第二链c D
10、 N A合成和接头连接后,c D N A片段被富集、纯化,然后在I l-l u m i n aH i s e qXT e n上测序.使用H I S A T 2将干净读数映射到DM(v 6.1)参考基因组.用P 0.9 5,P 0.0 1),共筛选出与上述1 1种物质有强相关性的3 6个转录因子,并使用C y t o s c a p e软件绘制相关性网络图(图6).由图中可知,3-羟基-5-甲基苯酚-1-氧-葡萄糖苷、3-O-对香豆酰莽草酸O-己糖苷以及阿魏酰咖啡酰酒石酸为关联转录因子最多的三种代谢物;S o-l t u.DM.0 4 G 0 0 8 2 9 0(A B R 1-l i k e)
11、、S o l t u.DM.0 9 G 0 3 0 6 4 0(b HLH 6 2)和S o l t u.DM.0 2 G 0 2 8 9 0 0(R A P 2-6-l i k e)为关联代谢物最多的三种转录因子,可以作为马铃薯抗寒候选转录因子.红线为正相关,蓝线为负相关.图6 相关性网络图F i g.6 C o r r e l a t i o nn e t w o r kd i a g r a m61云南师范大学学报(自然科学版)第4 3卷 3 讨论酚类物质在对抗逆境胁迫中的作用在多种植物中被报道.如盐胁迫下植物酚类物质含量会提高,进而 协 助 清 除 自 由 基,提 高 植 物 抗 氧
12、化 能力7;在小麦中,C a2+对酚类物质的积累有促进作用,进而提高了小麦在UV-B辐射下的抗氧化活性8;在桃类耐冷研究中发现,甜菜碱处理提高了桃类植物中酚类物质及类黄酮物质的含量,使得植物具有较强的耐冷性1 2;在高温胁迫下,苯丙素 和类黄酮的 积累可保护 植物细胞免 受损伤1 3.低温是制约植物生长和发育常见的非生物胁迫,对植物生长和生产均有不利影响.植物通过细胞到生理应答反应迅速启动相关基因进行转录后调控,合成相关蛋白,形成多个调控网络以响应低温胁迫1 4.内源性酚酸物质在植物抵抗非生物胁迫中起着重要作用.本研究以马铃薯为研究对象,结果表明马铃薯抗冻性受到多种机制调控,其中酚酸代谢途径极
13、为重要,在冷处理时间相同的情况下抗寒材料中酚酸的种类及含量较冷冻敏感材料有所不同,在处理时间不同的情况下,抗寒材料CM中酚酸类物质含量有所上调且相关基因表达稳定,因此研究分析酚酸类物质的合成途径及作用机制对提高马铃薯抵抗低温胁迫的能力具有重要意义.本研究得到的1 1种候选物质中大部分为糖苷和阿魏酸衍生物.代谢组学分析发现,O-糖苷是类黄酮在CM和DM中的主要存在形式,类黄酮物质具有复杂的、高度进化的分子结构,这种结构具有复杂的化学变化,在植物体内抗氧化防御中发挥重要作用.有研究发现,类黄酮物质在拟南芥叶片中含量的变化水平与耐寒性强弱相关1 5.干旱胁迫可调节花生中类黄酮物质的代谢途径,类黄酮物
14、质的积累可帮助机体适应不良环境1 6.阿魏酸是一种在植物中常见的酚酸物质,具有抗氧化、抗紫外线和清除自由基的作用.有前人在玉米、小麦及甘蔗的研究中表明阿魏酸处理能够抑制病原菌的生长并使毒素的产生量减少,使产孢量减少,具有直接抑制病原菌及保持植物代谢稳定的功能1 7-1 9.除此之外,阿魏酸还可以通过促进木质素的合成发挥间接的抗逆性.基于以上研究分析,上述1 1种物质在马铃薯耐寒中的作用机制值得进一步深入研究探讨.4 结语综合代谢组和转录组数据,分析CM与DM在不同处理时段上酚酸种类及表达量的差异,发现1 1种酚酸在CM的抗冻性中有显著作用,如:3-O-对香豆酰莽草酸O-己糖苷、5-O-对香豆酰
15、莽草酸O-己糖苷和阿魏酰咖啡酰酒石酸;通过代谢组与转录组关联分析,筛选出3 6个转录因子与1 1种核心差异酚酸类物质具有强相关性,可以作为马 铃 薯 抗 寒 候 选 转 录 因 子,如:A B R 1-l i k e、b HLH 6 2和R A P 2-6-l i k e,研究为马铃薯野生材料抗寒基因挖掘及利用奠定基础.参考文献:1 罗玉鸿.植物抗逆性研究进展J.现代农业科技,2 0 1 3,(7):2 2 6-2 2 7.2 魏亮,徐建飞,卞春松,等.中国主要马铃薯栽培品种抗寒性的鉴定与评价J.植物生理学报,2 0 1 7,5 3(5):8 1 5-8 2 3.3 舒启琼,罗小波,李飞,等.
16、马铃薯抗寒研究进展J.植物生理学报,2 0 2 1,5 7(6):1 1 7 1-1 1 7 8.4 KUT CHAN T M.E c o l o g i c a la r s e n a la n dd e v e l o p-m e n t a ld i s-p a t c h e r:t h ep a r a d i g mo fs e c o n d a r ym e-t a b o l i s mJ.P l a n tP h y s i o l o g y,2 0 0 1,1 2 5:5 8-6 0.5 陈晓亚,刘培.植物次生代谢的分子生物学及基因工程J.生命科学,1 9 9 6,8
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