中国沙棘平茬萌蘖内源激素调控的分子机制

发布时间：2020-07-23 08:33

【摘要】：中国沙棘是我国北方干旱与半干旱地区一种优良的具永生潜力的多用途造林树种。由于干旱胁迫、病虫害危害及造林密度大等原因,中国沙棘人工林出现了严重早衰现象,目前最为有效的手段是通过平茬促进萌蘖而实施更新。内源激素在平茬萌蘖发生及生长中起重要作用,然而,关于平茬促萌机理研究主要集中在生理生化层次,有关内源激素合成、代谢、转运、信号转导的分子调控机理却鲜见报道。本研究拟以中国沙棘衰退人工林为对象,设置Ocm、10cm、20cm平茬及不平茬(对照)等4种实验处理,研究平茬后萌蘖不同发育阶段(生长初期、生长盛期、二次生长高峰期及生长末期)萌蘖数量及生长量的变化,以及生长素、细胞分裂素及赤霉素含量的变化;基于转录组基因功能注释数据,揭示平茬后3种内源激素合成、代谢与转运基因的变化及其调控机理;探明三种激素信号转导基因的变化及其对激素浓度与萌蘖发生、生长的调控机理,以期从生态、激素及基因表达层次揭示平茬萌蘖生长发育的调控机理。研究得出了以下几个主要结论。(1)在生长初期、生长盛期,平茬处理提高了萌蘖数量及生长量,提高了 IAA、ZR及GA3浓度,这些激素正调控萌蘖的发生和生长。在二次生长高峰期及生长末期,平茬处理提高了萌蘖生长量。在二次生长高峰期,平茬处理提高了 IAA、ZR及GA3浓度,这些激素正调控萌蘖的生长。在生长末期,平茬处理降低了IAA及GA3浓度,这些激素负调控萌蘖的生长;平茬处理提高了 ZR浓度,该激素正调控萌蘖的生长。(2)通过4个发育时期的转录组测序,共获得216G的原始测序数据。测序质量较高,能满足分析要求。参考转录组de novo组装后,共获得7363 1条Unigenes,对应转录本N50为1564bp,拼接质量良好。分别有40302、30007、41891、34981、1 5807 条 unigenes 比对到 Nr、Swissprot、KOG、GO、KEGG 数据库,有 43617 条unigenes至少比对到一个数据库,并注释到功能。其中KOG数据库注释到3962条信号转导机制类unigenes,占9.46%。经qRT-PCR验证表明,转录组测序结果准确、可靠。(3)不同生长发育期萌蘖内源激素合成、代谢及转运调控基因的遗传特征就生长素合成、代谢及转运基因而言。在生长初期,平茬后TAR2、YUC8、NIT4基因正调控1AA的合成,而gatA家族蛋白起负调控作用,总体上GH3代谢基因家族的腺苷化作用增强,PIN1C基因的转运作用加强。在生长盛期,平茬后YUC6基因正向调控IAA的合成,而AAO1、AAO4、NIT4基因起负调控作用,ABCB1、ABCB19基因的转运作用增强,而PIN2基因的转运作用减弱。在二次生长高峰期,AMI1基因正调控IAA的合成,YUC4基因具有负反馈调控作用,GH3.5基因的腺苷化作用减弱,ABCB19基因的转运作用减弱。在生长末期,YUC4基因正调控IAA的合成,而AAO1、YUC6、AMI1基因起负调控作用,GH3基因家族的腺苷化作用减弱,ABCB1基因的转运作用增强。就细胞分裂素合成、代谢及转运基因而言。在生长初期,平茬后1个CYP735A基因,2个LOG基因,3个IPT基因正调控CTK的合成,而1个IPT3基因具有负反馈调节的作用,3个CKX基因氧化降解CTK的量减少,PUP5、PUP9及ENTl转运蛋白转运作用减弱。在生长盛期,平茬后1个LOG8基因、2个IPT9基因合成的CTK减少,CKX4基因氧化降解CTK的量增多,PUP9转运蛋白转运作用减弱,而ENT1转运蛋白转运作用增强。在二次生长高峰期,3个IPT基因合成细胞分裂素增多,1个IPT3基因具有负反馈调节的作用,1个IPT9、6个LOG基因合成的CTK量减少,1个CKX5基因氧化降解CTK的量增多,PUP9、ENT1、ENT6转运蛋白转运作用减弱。在生长末期,1个IPT3基因合成CTK增多,1个IPT3基因具有负反馈调节的作用,总体上LOG基因合成CTK的量减少,总体上CKX基因氧化降解CIK的量减少,PUP基因转运的CTK趋于平衡。就赤霉素合成、代谢及转运基因而言。在生长初期,平茬后CPS、KS、KO、GA20OX基因正调节GA的合成过程,2个GA3OX基因合成GA的作用减弱,GA2OX基因降解GA的减弱,SWEET13、NRT2.5基因转运作用减弱。在生长盛期,平茬后1个CPS、KS、KO、GA3OX基因,2个GA20OX基因正调节GA的合成过程,1个KS、KAO1基因负调节的GA合成过程,GA20X基因降解具活性GA的作用趋于平衡,NPF4.6基因转运作用增强。在二次生长高峰期,平茬后2个GA20OX基因负调节GA的合成过程,3个GA20X基因降解GA的作用削弱,NPF7.3、NRT2.5基因转运作用减弱。在生长末期,平茬后,1个KS基因,2个K4O1基因,4个GA20OX基因在GA合成路径中作用减弱,4个GA2OX基因降解GA的作用削弱,NPF4.6、NPF2.5基因转运GA作用减弱。(4)不同生长发育期萌蘖内源激素信号转导基因的遗传特征就生长素信号转导基因而言。在生长初期,1个LAX、LAX4、LAX5、AUX2、A UX22D、IAA9、IAA13、IAA26、IAA29、ARF2、ARF5、ARF7、GH3.1、SAUR21、SAUR41、SAUR50、ARG7基因,2个IAA27基因正调节信号转导过程及萌蘖发生、生长;而1个TIR1、IAA9、I4A11、IAA17、SA UR32、SA UR36、SA UR 71基因起负调节作用。在生长盛期,1 个LAX2、LAX5、AUX22、AUX22B、AUX28、IAA9、IAA I4、IAA26、ARF2、GH3.1、GH3.11、SAUR19、SAUR20、SAUR41、SAUR50、SAUR71 基因,3个ARG7基因正调节信号转导过程及萌蘖发生、生长;而1个AUX22D、IAA7、IAA11、ARF1、ARF9、SA UR36、SAUR40基因起负调节作用。在二次生长高峰期,AUX28、IAA9、IAA26、ARF2、GH3.5、SAUR41,2个SAUR20、ARG7 基因正调节信号转导过程及萌蘖生长;而1个LAX2、IAA4、IAA7、IAA9、IAA11、IAA13、IAA14、IAA16、IAA17、IAA26、ARF1、ARF3、ARF5、ARF9、GH3.1、SAUR20、SAUR32、SA UR36、SA UR40基因,2个SAUR71基因起负调节作用。在生长末期,1个LAX4、IAA9、IAA16、ARF2、ARF5、ARF7、ARF9、GH3.1、GH3.5、GH3.6、SAUR21、SA UR32、SA UR36、ASUR72基因正调节信号转导过程,并在生长中起负调节作用;TIR1、AUX22、AUX28、IAA13、ARF7、ARF9、GH3.5、SAUR72、ARG7,2个IAA27 基因所起的作用正好相反。就细胞分裂素信号转导基因而言。在生长初期,1个AHK2、AHP1、OHP2、ARR2、ARR3、ARR18,2个ARR9、ARR17,3个AHK4基因正调节信号转导过程及萌蘖发生、生长,而1个AHK3、AHP2、AHP4、ARR12、ARR22基因起负调节作用。在生长盛期,AHK2、AHK3、AHP2、AHP4、ARR1、ARR2、ARR9、ARR11、ARR12、ARR22基因负调节信号转导过程及萌蘖发生、生长,AHK4、ARR18基因的作用正好相反。在二次生长高峰期,AHK2、AHK3、AHK4、AHP1、AHP2、mpr1、ARR2、ARR12 基因负调节信号转导过程及萌蘖生长。在生长末期,1个AHK2、AHP2、ARR3基因,2个ARR2基因的表达量正调节信号转导过程及萌蘖生长,AHK5、4HP1、ARR9、ARR11、ARR22基因的作用正好相反。就赤霉素信号转导基因而言。在生长初期,1个PIF3、PIL1、GID1C基因正调节信号转导过程及萌蘖发生、生长,GAI基因的作用正好相反。在生长盛期,1个PIL1、3个GAI基因正调节信号转导过程及萌蘖发生、生长,而1个PIF3、2个GID1B基因起负调节作用。在二次生长高峰期,PIL1基因正调节信号转导过程及萌蘖的生长,而GID1B、GID1C、GID2、PIF3基因起负调节作用。在生长末期,GID1B、GID2、PIF3、PIF5基因正调节信号转导过程及萌蘖生长。综上所述,平茬通过改变中国沙棘三种内源激素合成、代谢、转运基因的表达,调控激素的浓度,而激素又通过信号转导过程引起下游基因表达的变化,进而调控平茬萌蘖的发生及生长。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S793.6
【图文】：

图１－２邋细胞分裂素合成与代谢途径（李志康等，２０１８）逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｙｔｏｋｉｎｉｎ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ａｎｄ邋ｍｅｔａｂｏｌｉｃ邋ｐａｔｈｗａｙｓ逡逑（１）细胞分裂素受体对植物生长发育的调控逡逑拟南芥有邋６邋种组氨酸激酶邋ＡＨＫｓ（ＡＨＫｌ、ＡＨＫ２、ＡＨＫ３、ＡＨＫ４、ＡＨＫＳ／ＣＫＩ２邋和逡逑

１．４．邋３赤霉素合成、代谢、转运与信号转导的分子调控逡逑１．４．３．１赤霉素的合成、代谢与转运逡逑赤霉素的生物合成过程可以分为三个阶段（图１－４）。第一阶段：由栊牛儿基陇牛逡逑儿基焦磷酸（ＧＧＤＰ）合成内根－贝壳杉烯。在前质体中，在古巴焦淲酸合成酶（咖－逡逑ｃｏｐａｌｙｌ邋ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ邋ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＣＴＳ）作用下，ＧＧＰＰ被催化环化合成内根－古巴焦枺酸逡逑（ＣＰＰ），随后ＣＰＰ在内根－贝壳杉稀合成酶（ｅｎｔ－ｋａｕｒｅｎｅ邋ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＡＳ１）的催化下再逡逑次环化合成内根－贝壳杉稀（Ｓｕｎｅ／ｃ？／．，１９９４；邋Ｈｅｌｌｉｗｅ丨ｌｅ／ｏ／．，２００１ａ；石建斌，２０１６）。逡逑第二阶段：由内根－贝壳杉烯合成ＧＡＩ２的过程。即内根－贝壳杉烯在内根－贝壳杉烯氧逡逑化酶（ｅｎｔ－ｋａｕｒｅｎｅｏｘｉｄａｓｅ，火Ｏ）的催化下，依次氧化形成内根－贝壳杉稀醇、内根－贝逡逑壳杉烯醛以及内根－贝壳杉烯酸三种物质。随后，内根－贝壳杉烯酸在内根－贝壳杉烯酸逡逑轻化酶（ｅｎｔ－ｋａｕｒｅｎｏｉｃａｃｉｄｈｙｄｒｏｘｙｌａｓｅ，尤４０）的催化下依次形成内根－７轻基贝壳杉逡逑稀酸、ＧＡｉ２－醛及邋ＧＡｉ２（Ｈｅｌｌｉｗｅｌｌｄａ／．

图２－２平茬对整个生长期萌蘖发生及生长的影响逡逑－

本文编号：2767110