干旱胁迫对三七生理指标的影响及转录组分析.pdf

中国农学通报 ChineseAgriculturalScienceBulletin 中国农学通报 2021 37 16 51 58 ChineseAgriculturalScienceBulletin 基 金 项 目 国 家 自 然 基 金 内 生 菌 促 进 滇 重 楼 皂 苷 类 活 性 成 分 积 累 的 机 理 研 究 81473310 国 家 自 然 基 金 滇 重 楼 结 构 发 育 与 皂 苷 积 累 的 光 照 效 应 31560085 第 一 作 者 简 介 徐 若 女 1995 年 出 生 云 南 宣 威 人 学 士 研 究 方 向 植 物 学 通 信 地 址 650051 云 南 省 昆 明 市 盘 龙 区 云 南 农 业 大 学 E mail 907689386 通 讯 作 者 刘 涛 男 1978 年 出 生 河 南 洛 阳 人 教 授 博 士 研 究 方 向 分 子 生 物 学 药 用 植 物 学 通 信 地 址 650051 云 南 省 昆 明 市 盘 龙 区 云 南 农 业 大 学 E mail 52133490 收稿日期 2019 09 09 修回日期 2021 03 19 干旱胁迫对三七生理指标的影响及转录组分析 徐 若 1 张秀芬 1 李艳冰 2 字淑慧 1 2 杨生超 1 刘 涛 1 1 云南农业大学 西南中药材种质创新与利用国家地方联合工程研究中心 昆明650201 2 云南农业大学农学与生物技术学院 昆明650201 摘 要 为 揭 示 干 旱 胁 迫 下 三 七 的 生 理 特 性 和 基 因 转 录 组 变 化 通 过 干 旱 条 件 和 正 常 浇 水 控 制 研 究 干 旱 对于三七的影响 实验设置自然干旱和正常浇 水 对照 处理 分别测定三七叶片的叶绿素 含量 可溶性 蛋 白 含 量 POD 活 性 SOD 活 性 CAT 活 性 和MDA 活 性 并 从 三 七 叶 片 中 提 取RNA 进 行 转 录 组 测 序 分 析 结 果 显 示 干 旱 胁 迫 下 三 七MDA 变 化 非 常 明 显 与 对 照 相 比 植 株 受 到 干 旱 后 的MDA 活 性 升 高 了 88 41 相 反CAT 活 性 受 干 旱 影 响 的 效 果 不 明 显 转 录 组 分 析 结 果 表 明 与 对 照 相 比 干 旱 处 理 样 品 上 调 基 因431 个 下 调 基 因151 个 对 差 异 基 因 进 行GO 注 释 和 功 能 富 集 性 分 析 有160 个 上 调 基 因 和53 个 下 调 基 因 共213 个 差 异 基 因 注 释 到 数 据 库 中 KEGG 分 析 结 果 表 明 有122 个DEGs 在37 个 代 谢 通 路 上 ABA 合 成 代 谢 的 关 键 酶 9 顺 式 环 氧 类 胡 萝 卜 素 双 加 氧 酶 被 显 著 富 集 说 明 干 旱 条 件 下 三 七 可 能 通过ABA 相关合成酶的增加调控干旱应答 关键词 三七 干旱 生理特性分析 转录组分析 脱落酸 中图分类号 Q945 78 文献标志码 A 论文编号 casb20190900619 Effects of Drought Stress on Physiological Inds of Panax notoginseng and Transcriptome Analysis Xu Ruo 1 Zhang Xiufen 1 Li Yanbing 2 Zi Shuhui 1 2 Yang Shengchao 1 Liu Tao 1 1 Yunnan Agricultural University National and Local Joint Engineering Research Center for Germplasm Innovation and Utilization of Southwest Chinese Medicinal Materials Kunming 650201 2 College of Agronomy and Biotechnology Yunnan Agricultural University Kunming 650201 Abstract To reveal the physiological characteristics and gene transcriptome changes of Panax notoginseng under drought stress we studied the effects of drought on P notoginseng through drought conditions and normal watering control The chlorophyll content soluble protein content POD activity SOD activity CAT activity and MDA activity of P notoginseng leaves were measured respectively and RNA was extracted from P notoginseng leaves for transcriptome sequencing analysis The results show that the change of MDA in P notoginseng is very obvious under drought stress Compared with the control the MDA activity of the plant increases by 88 41 after drought on the contrary the effect of CAT activity affected by drought is not obvious The results of transcriptome analysis show that there are 431 up regulated genes and 151 down regulated genes in the drought treated samples compared with the control GO annotation and functional enrichment analysis were carried out on the differential genes There are 160 up regulated genes and 53 down regulated genes with 213 differential gene annotations in the database KEGG analysis shows that there are 122 DE Gs in 37 metabolic pathways 9 cis cyclocarotenoid dioxygenase the key enzyme of ABA anabolism is中国农学通报 0 引言 三 七 Panax notoginseng 为 五 加 科 Araliaceae 人 参 属 Panax 植 物 三 七 可 整 株 入 药 除 可 活 血 化 瘀 清肿止痛 滋补强壮 补血造血外 还具有抗疲劳 抗衰 老 抗 炎 抗 肿 瘤 降 血 压 降 血 脂 降 血 糖 等 多 方 面 的 药 理 作 用 在 药 品 和 天 然 保 健 品 方 面 有 着 重 要 开 发 价 值 1 三 七 在 广 西 贵 州 四 川 云 南 种 植 较 多 是 重 要 名贵药用植物 2 在临床上具有较高的利用价值 3 干旱胁迫是限制作物生产和大幅度降低产量的最 重 要 的 非 生 物 胁 迫 4 21 世 纪 以 来 中 国 每 年 都 会 发 生 干 旱 云 南 地 区 是 国 内 干 旱 较 频 繁 发 生 的 地 区 之 一 有 十年九旱 之说 干旱胁迫所导致的作物减产超 过其他环境胁迫所造成减产的总和 干旱严重影响植 物 的 生 长 威 胁 植 物 的 生 存 5 降 低 植 物 光 合 速 率 以 及 叶绿体对光能的吸收能力和转能效率 然而植物面对 干 旱 的 环 境 不 是 完 全 被 动 的 6 在 长 期 的 适 应 和 驯 化 过程中 当受到生物和非生物胁迫的严重影响时 植物 已 经 进 化 出 一 些 有 效 的 机 制 应 对 环 境 挑 战 对 干 旱 胁 迫 也 产 生 了 不 同 的 生 理 生 化 策 略 7 在 干 旱 胁 迫 条 件 下 各 种 小 分 子 如 脯 氨 酸 可 溶 性 糖 可 溶 性 蛋 白 等 在 渗 透 调 节 中 起 重 要 作 用 迅 速 积 累 起 来 8 此 外 超 氧 化 物 歧 化 酶 SOD 过 氧 化 物 酶 POD 过 氧 化 氢 酶 CAT 等 抗 氧 化 酶 以 及MDA 含 量 也 被 迅 速 诱 导 以 应 对 干 旱 胁 迫 期 间 的 氧 化 损 伤 这 些 分 子 的 含 量 和 这 些 酶的活性被广泛地用作评价植物在遭受干旱时的特性 的 参 数 9 与 根 茎 相 比 植 物 叶 片 对 环 境 变 化 更 为 敏 感 当空气的蒸汽压和相对湿度等发生变化时 植物会 迅速关闭气孔 减少水分损失 同时保持较高的水分利 用 效 率 赵 宏 光 10 通 过 对 三 七 叶 片 的 研 究 发 现 三 七 叶片能够通过保护酶活性和渗透调节物质含量来适应 土 壤 水 分 含 量 的 变 化 但 是 三 七 叶 片 酶 活 性 和 调 节 物质对干旱的响应程度如何目前尚未见报道 植物在生长过程中不可避免地经历各种非生物胁 迫 为适应环境的变化 植物会调节一些基因的表达 产 生 新 的 蛋 白 质 11 同 时 在 生 理 和 生 化 水 平 上 发 生 显 著 变 化 干 旱 是 最 常 见 的 非 生 物 胁 迫 之 一 植 物 在 干 旱的环境下 不仅在生理水平产生对环境的抵抗 在生 化水平也会发生相应的变化 三七受到干旱胁迫是多 基因控制的数量性状 与植株外部的形态建成 渗透调 节能力 抗氧化能力等存在密切关系 然而 在三七干 旱胁迫下 这些分子化合物 酶活性的动态变化以及生 化水平的响应很大程度上尚不清楚 笔者从生理水平的响应和生化水平对三七的抗旱 性机制进行研究 系统分析三七的抗旱响应机制 以期 为进一步深入研究三七干旱胁迫调控网络提供依据 1 材料与方法 1 1 供试材料 实 验 苗 均 选 用 来 自 同 一 地 方 苗 龄 为1 年 生 长 势 基本一致的健康三七苗 供试材料由三七道地产区云 南 省 文 山 州 砚 山 县 种 植 基 地 东 经103 35 104 45 北纬23 18 23 59 之间 海拔1539m 提供 1 2 实验设计 2017 年7 月 中 旬 从 云 南 省 文 山 州 砚 山 县 三 七 种 植基地采挖一年生三七苗 当天及时将采挖好的三七 苗 采 用 盆 栽 的 方 式 移 栽 于 云 南 农 业 大 学 后 山 大 棚 东 经105 45 北 纬25 7 海 拔1960 m 盆 栽 种 植 时 每 个 花 盆 26cm 21cm 装 有 机 土 与 黄 壤 土 比 例2 1 的 混 匀土2kg 每盆10 株三七 8 月5 日挑选出生长情况一 致 的 盆 栽 三 七 苗 进 行 正 式 实 验 处 理 实 验 分 为2 组 处 理 自 然 干 旱 处 理6 盆 3 个 重 复 每 个 重 复2 盆 对 照 处 理6 盆 3 个 重 复 每 个 重 复2 盆 实 验 观 测 前 统 一 灌 溉2 组 处 理 的 实 验 苗 并 计 算 最 大 含 水 量 作 为100 的 土 壤 相 对 含 水 量 RWC 干 旱 处 理 组 不 再 浇 水 直 至 自 然 干 旱 对 照 组 每 天 检 测 土 壤 RWC 根 据 RWC 值 适 当 补 水 保 证 土 壤 相 对 含 水 量 RWC 维 持 在 同 一 水 平 约2 天 浇 一 次 水 每 次 每 盆 浇100 200 mL 培 养 45 天 后 自 然 干 旱 处 理 组 已 经 出 现80 萎 焉 程 度 每 个 处 理 取 一 片 叶 蒸 馏 水 冲 洗 表 面 杂 质 去 除 叶 脉 弱 光 条 件 研 磨 检 测 叶 绿 素 含 量 取0 1 g 叶 片 冰 浴 研 磨 检 测 超 氧 化 物 歧 化 酶 SOD 活 性 过 氧 化 物 酶 POD 活 性 过 氧 化 氢 酶 CAT 活 性 以 及 丙 二 醛 MDA 含 量 取0 1g 三 七 叶 片 根 据TRN20l A 总RNA 提 取 说明书方法提取RNA 1 3 实验方法 1 3 1 生 理 指 标 测 定 超 氧 化 物 歧 化 酶 SOD 活 性 测 定 采 用WST 1 法 过 氧 化 物 酶 POD 活 性 测 定 采 用 比 色 法 过 氧 化 氢 酶 CAT 活 性 测 定 采 用 可 见 光 法 丙 二 醛 MDA 含 量 测 定 采 用TBA 法 叶 绿 素 含 量 的 测 定 方 法 借 鉴Arnon 法 12 试 剂 盒 均 购 买 自 南 京 建 成 生 物 科 技 有 限 公 司 TRN20l A 总RNA 提 取 试 剂 盒 购 买 自 天 根 significantly enriched indicating that P notoginseng may regulate drought response through the increase of ABA related synthase Keywords Panax notoginseng drought physiological characteristic analysis transcriptome analysis ABA 52生化科技有限公司 1 3 2 转 录 组 测 序 组 装 以 及 基 因 注 释 分 别 将 干 旱 处 理 样 品 和 对 照 样 品 各 自 分 别 混 合 并 保 证 混 合 后 样 品 质量相等 由北京百迈克生物科技有限公司构建文库 文 库 质 量 检 测 合 格 后 安 排 上 机 测 序 使 用IIIumina Hiseq 高 通 量 测 序 平 台 对cDNA 进 行 测 序 在 进 行 后 续 分 析 之 前 首 先 需 要 确 保 所 用Reads 有 足 够 高 的 质 量 以 保 证 序 列 组 装 和 后 续 分 析 的 准 确 由 测 序 仪 造 成 的 错 误 率 小 于0 1 的 碱 基 所 占 比 例 Q30 来 衡 量 测 序 的 质 量 对RawData 进 行 数 据 过 滤 13 去 除 其 中 的 接 头 序 列 及 低 质 量Reads 获 得 高 质 量 的Clean Data 使 用BLAST 软 件 将Unigene 序 列 与Nr Swiss Prot GO gene ontology COG cluster of orthologous groups KOG eggNOG KEGG Kyoto encyclopedia of genes and genomes 和Pfam 数 据 库 比 对 临 界 值 为 E 10 5 进 行功能注释分析 1 3 3 差 异 基 因 筛 选 及 富 集 分 析 使 用EBSeq 进 行 差 异 表 达 分 析 获 得 干 旱 处 理 组 和 对 照 组 之 间 的 差 异 表 达 基 因 集 使 用RPKM 法 reads perkb per million reads 计 算Unigene 表 达 量 统 计 干 旱 和 对 照 的 基 因 表 达 丰 度 在 筛 选 过 程 中 将 FDR 0 01 且 差 异 倍 数 FC 2 作 为 筛选标准 FDR 值越低表 明基因表 达差异越 显著 筛选 出 log2 Ratio 1 和 q 0 05 的 基 因 作 为 DEGs 对 DEGs 做GO 功 能 分 析 和KEGG 途 径 分 析 2 结果与分析 2 1 干 旱 胁 迫 对 三 七 叶 片 叶 绿 素 可 溶 性 蛋 白 含 量 的 影响 植物叶绿素含量的高低影响着植物光合作用的速 率 和 光 合 产 物 的 形 成 是 反 映 植 物 光 合 能 力 的 重 要 指 标之一 通常认为水分胁迫会降低叶绿素含量 如图 1 所 示 干 旱 胁 迫 下 三 七 叶 绿 素 含 量 发 生 变 化 SPSS 方 差 分 析 表 明 处 理 组 和 对 照 组 的 叶 绿 素 含 量 差 异 均 达 显 著 水 平 P 0 05 与 对 照 相 比 处 理 组 叶 绿 素a 叶 绿 素b 叶 绿 素a b 总 叶 绿 素 以 及 类 胡 萝 卜 素 显 著 高 于 对 照 叶 绿 素a b 比 对 照 高 出2 97 总 叶 绿 素 含 量 约高出对照39 8 2 2 干旱胁迫对三七叶片可溶性蛋白含量的影响 可 溶 性 蛋 白 是 重 要 的 渗 透 调 节 物 质 和 营 养 物 质 它 们 的 增 加 和 积 累 能 提 高 细 胞 的 保 水 能 力 对 细 胞 的 生 命 物 质 及 生 物 膜 起 到 保 护 作 用 因 此 经 常 用 作 抗 性 筛 选 指 标 在 此 次 研 究 中 处 理 组 可 溶 性 蛋 白 略 高 于 对 照 组 处 理 组 可 溶 性 蛋 白 含 量 高 于 对 照 组 约3 7 图2 2 3 干旱胁迫下三七叶片POD 和SOD 的变化情况 当 植 物 遭 受 干 旱 胁 迫 时 POD 和SOD 会 发 生 变 化 以 维 持 体 内 活 性 氧 代 谢 的 动 态 平 衡 图3 方 差 分 析 结 果 显 示 2 组 处 理 间POD 活 性 和SOD 活 性 差 异 均 达 显 著 水 平 P 0 05 处 理 组 三 七 叶 片 的POD 活 性 和 SOD 活 性 分 别 高 于 对 照79 19 9 05 受 干 旱 影 响 敏感度POD 活性大于SOD 活性 图 1 不同处理的三七叶片叶绿素含量 图 2 不同处理的三七叶片可溶性蛋白含量 叶 绿 素 叶 绿 素 总 叶 绿 素 叶 绿 素 类 胡 萝 卜 素 叶 绿 素 叶 绿 素 含 量 处 理 对 照 处 理 对 照 可 溶 蛋 白 含 量 图 3 不同处理的三七叶片 POD 活性和 SOD 活性 活 性 处 理 对 照 徐 若 等 干 旱 胁 迫 对 三 七 生 理 指 标 的 影 响 及 转 录 组 分 析 53中国农学通报 2 4 干旱胁迫下三七叶片CAT 活性的变化情况 CAT 是 催 化 过 氧 化 氢 分 解 成 氧 和 水 的 酶 存 在 于 细 胞 的 过 氧 化 物 体 内 能 将 逆 境 胁 迫 下 细 胞 内 产 生 的 H2O2 分 解 维 持 膜 系 统 的 稳 定 性 图4 表 明 CAT 活 性 与 植 物 的 抗 逆 性 有 关 在 本 次 研 究 中 CAT 活 性 在 干 旱胁迫和对照中的活性都较低 但是相较于对照 处理 组的CAT 活性有所升高 2 5 干旱胁迫下三七叶片MDA 含量的变化情况 由 图 5 可 知 与 对 照 相 比 MDA 含 量 升 高 了 88 41 SPSS 方 差 分 析 结 果 表 明 干 旱 处 理 和 对 照 MDA 含量差异达显著水平 P 0 05 2 6 转录组测序质量检测和注释数据 完 成2 个 样 品 的 转 录 组 测 序 共 获 得15 50 GB CleanData 51883034 个Cleanreads 各 样 品 Q30 碱 基 百 分 比 均 不 小 于93 97 使 用Trinity 软 件 组 装 共 得 到 68134 条Unigene 其 中 长 度 在1 kb 以 上 的Unigene 有 13544 条 Unigene 的 N50 为1180 组 装 完 整 性 较 高 对 Unigene 进 行 功 能 注 释 包 括 与 Nr Swiss Prot KEGG COG KOG GO 和Pfam 数据 库的 比对 共获 得 33151 条Unigene 51 34 的 注 释 结 果 表1 由 表 可 知 在 所 有 注 释 的 序 列 中 分 别 有32666 98 54 30306 91 42 19951 60 18 19380 58 46 19183 57 87 18414 55 55 11905 35 91 10005 30 18 个 序 列 在 Nr eggNOG Pfam GO Swiss Prot KOG KEGG COG 数据库中比对成功 2 7 COG 功能分类 COG 分 类 结 果 图6 表 明 有10005 条 转 录 本 被 注 释 到 该 数 据 库 中 包 含 了21 个 功 能 类 别 涵 盖 基 因 最 多 的 是 一 般 功 能 预 测 24 93 其 次 是 复 制 重 组 和 修 复 12 55 翻 译 核 糖 体 结 构 与 生 物 合 生 11 93 转 录 10 98 信 号 转 导 机 制 9 00 氨 基 酸 转 运 与 代 谢 8 02 等 所 有 类 别 中 核 酸 结 构 0 08 的 数 量 最 少 2 8 差异基因的GO 分类和富集分析 在GO 数 据 库 中 有19380 个 基 因 注 释 到36 个GO 条 目 中 分 为 分 子 功 能 molecular function 细 胞 组 分 cellularcomponent 和 生 物 学 过 程 biologicalprocess 3 类 图7 在 细 胞 组 分 类 型 中 细 胞 cell 和 细 胞 组 分 cellpart 最 显 著 富 集 注 释 的Unigene 数 均 为8636 占 总 注 释 基 因 数 的44 56 催 化 活 性 catalytic activity 和 组 合 binding 在 分 子 功 能 类 型 中 最 为 富 集 注 释 的 Unigene 数 分 别 为10510 9898 分 别 占 总 注 释 基 因 数 的54 23 51 07 在 生 物 学 过 程 类 型 中 显 著 富 集 的 是 代 谢 过 程 metabolic process 和 细 胞 过 程 cellular process 注 释 的unigene 数 分 别 为13689 11696 分 别 占 总 注 释 基 因 数 的70 63 60 35 催 化 活 性 代 谢 过 程 与 干 旱 胁 迫 密 切 相 关 以 FDR 0 01 和 log2 fold change 2 来 评 估 样 本 间 的 差 异 基 因 定 义 为DEGs 共 图 4 不同处理的三七叶片 CAT 活性 图 5 不同处理的三七叶片 MDA 活性 处 理 对 照 处 理 对 照 表 1 三七叶片转录组 Unigene 注释 数据库 COG GO KEGG KOG Pfam Swiss Prot EggNOG Nr All 注释数目 10005 19380 11905 18414 19951 19183 30306 32666 33151 长度300 1000bp 2737 6733 4372 6331 6277 7111 10951 11958 12087 长度 1000bp 4524 7179 4614 7400 9640 8338 11524 11782 11808 54筛 选 出582 个DEGs 与CK 相 比 干 旱 处 理 样 本 上 调 基 因431 个 下 调 基 因151 个 对DEGs 做GO 注 释 和 功 能 富 集 性 分 析 有213 个DEGs 160 个 上 调 53 个 下 调 注释到该数据库中 2 9 DEGs 的KEGG 功能注释分析 KEGG 分 析 结 果 表 明 共 有11905 个unigene 注 释 到 该 数 据 库 中 对DEGs 中 显 著 性 富 集 的Pathway 分 析 得 出 有122 个DEGs 在37 个 代 谢 通 路 上 表2 表 中 图 6 叶片转录组 Unigene 序列 COG 功能注释分类 图 7 干旱胁迫差异基因 GO 功能注释结果 徐 若 等 干 旱 胁 迫 对 三 七 生 理 指 标 的 影 响 及 转 录 组 分 析 55中国农学通报 信息以富集显著由大到小依次排列 与类胡萝卜素生 物 合 成 相 关 的 基 因 包 括9 顺 式 环 氧 类 胡 萝 卜 素 双 加 氧 酶 脱 落 酸8 羟 化 酶 紫 黄 质 脱 环 氧 化 酶 硫 甙 生 物 合 成 相 关 的 基 因 包 括 酪 氨 酸 单 氧 酶 缬 氨 酸 单 加 氧 酶 植 物 激 素 信 号 转 导 相 关 的 基 因 包 括 生 长 素 诱 导 蛋 白 生 长 素 转 运 蛋 白 蛋 白 磷 酸 酶 木 葡 聚 糖 内 转 葡 糖 基 酶 水 解 酶 蛋 白 脱 落 酸 受 体 等 这 些 途 径 为 研 究 三 七 干 旱 胁 迫 的 具 体 过 程 功 能 和 途 径 提 供 了 具 体 依 表 2 DEGs 富集的 37 条 KEGG 通路 代谢通路ID Ko00906 Ko00966 Ko00940 Ko04626 Ko04075 Ko00360 Ko00908 Ko00500 Ko00052 Ko00460 Ko00910 Ko00909 Ko00270 Ko00062 Ko01210 Ko00196 Ko03430 Ko00400 Ko03010 Ko03440 Ko00520 Ko00592 Ko00900 Ko03420 Ko03030 Ko01040 Ko00040 Ko00071 Ko00480 Ko00190 Ko04146 Ko00240 Ko01212 Ko04141 Ko03013 Ko01230 Ko03040 注释到该通路的差异基因 5 2 7 7 8 5 2 6 3 2 2 1 3 1 2 1 1 1 7 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 1 注释到该通路的所有基因 43 2 149 193 262 106 20 250 91 55 61 18 163 27 116 47 53 60 642 63 178 81 85 85 87 93 94 126 127 316 180 185 188 263 281 472 322 代谢通路注释 类胡萝卜素生物合成 硫甙生物合成 苯丙素生物合成 植物 病原体相互作用 植物激素信号转导 苯丙氨酸代谢 玉米素生物合成 淀粉和蔗糖代谢 半乳糖代谢 氰氨基酸代谢 氮代谢 倍半萜类和三萜类生物合成 半胱氨酸和蛋氨酸代谢 脂肪酸延伸 2 氧代羧酸代谢 光合作用 天线蛋白质 错配修复 苯丙氨酸 酪氨酸和色氨酸的生物合成 核糖体 同源重组 氨基糖和核苷酸糖代谢 亚麻酸代谢 萜类骨架生物合成 核苷酸切除修复 DNA 复制 不饱和脂肪酸的生物合成 戊糖和葡萄糖醛酸相互转化 脂肪酸降解 谷胱甘肽代谢 氧化磷酸化 过氧化物酶体 嘧啶代谢 脂肪酸代谢 蛋白质在内质网中的加工 RNA 运输 氨基酸的生物合成 剪接体 56据 同 时 在KEGG 富 集 中 只 有 对 照 中 存 在 且 表 现 为 下 调 的 代 谢 路 径 为 硫 甙 生 物 合 成 参 与 该 途 径 调 控 的 酪 氨 酸 单 氧 酶 和 酪 氨 酸 单 加 氧 酶 该 蛋 白 家 族 是 高 度 保 守 的 可 溶 性 酸 性 蛋 白 质 调 节 着 许 多 重 要 细 胞 生 命活动 如新陈代谢 细胞周期 细胞生长发育 细胞的 存活以及凋亡 只在干旱胁迫下参与的且表现为上调 的 苯 丙 素 生 物 合 成 和 苯 丙 氨 酸 代 谢 参 与 该 途 径 调 控 的苯丙氨酸氨裂解酶和苯丙氨酸解氨酶 干旱应答基 因 的 表 达 物 质 主 要 包 括 信 号 级 联 和 转 录 调 节 蛋 白 如 蛋 白 激 酶 蛋 白 磷 酸 酶 和 转 录 因 子 保 护 细 胞 膜 的 功 能蛋白以及其他蛋白质 胚胎发育晚期的丰富蛋白 抗 氧 化 剂 渗 调 蛋 白 与 水 通 道 和 离 子 吸 收 相 关 的 转 运 蛋白 糖转运蛋白等 3 结论 植物已经进化出有效的机制来应对生物或非生物 的 挑 战 本 研 究 生 理 水 平 的 结 果 表 明 干 旱 对 于 三 七 影 响 较 大 对 植 物 抗 旱 性 的 多 种 相 关 酶 进 行 分 析 发 现POD 的 活 性 变 化 大 于SOD 与 对 照 相 比CAT 变 化 量 最 少 而MDA 显 著 升 高 且 比 其 他 指 标 升 高 得 多 说 明 在 三 七 干 旱 胁 迫 过 程 中MDA 更 为 敏 感 在 观 测 三 七受干旱胁迫时可以重点关注 对干旱处理组和对照 组 的 转 录 组 分 析 表 明 干 旱 处 理 组 和 对 照 组 的 差 异 基 因 显 著 富 集 在 差 异 基 因 中 控 制ABA 合 成 代 谢 的 关 键 酶 9 顺 式 环 氧 类 胡 萝 卜 素 双 加 氧 酶 被 显 著 富 集 说 明 干 旱 条 件 下 三 七 可 能 通 过ABA 相 关 合 成 酶 的 增 加 调 控 干 旱 应 答 此 外 ABA 能 诱 导 脯 氨 酸 的 积 累 推 测三七可能通过增加脯氨酸应对干旱胁迫 4 讨论 植 物 抗 旱 性 是 一 种 复 杂 的 表 型 干 旱 导 致 植 物 多 个 性 状 发 生 变 化 且 每 个 性 状 都 由 众 多 特 异 性 分 子 网 络 的 多 效 基 因 调 节 由 于 这 种 复 杂 性 植 物 会 产 生 多 种 策 略 来 应 对 干 旱 胁 迫 这 主 要 包 括POD SOD CAT 等 的 酶 保 护 系 统 和ABA 等 物 质 的 非 酶 类 保 护 系 统 14 当 植 物 在 干 旱 胁 迫 下 生 长 时 会 产 生 对 植 物 生 长 发 育 有 不 利 影 响 的 活 性 氧 ROS 为 应 对 氧 化 损 伤 植 物 细 胞 中 超 氧 化 物 歧 化 酶 SOD 过 氧 化 物 酶 POD 和 过 氧 化 氢 酶 CAT 等 酶 被 激 活 有 研 究 发 现 随 着 干 旱 时 间 的 延 长 可 溶 性 蛋 白 的 含 量 会 持 续 上 升 15 通 常 认 为 当 受 到 干 旱 胁 迫 的 影 响 时 叶 绿 素 含 量 会 下 降 近 几 年 有 研 究 发 现 适 当 的 干 旱 能 够 激 发 植 物 在 逆 境 中 生 存 的 潜 力 在 中 度 干 旱 胁 迫 下 的 植 物 叶 绿 素 含 量会上升 16 17 在本实验中 干旱胁迫下叶绿素含量高 于 对 照 处 理 说 明 此 干 旱 程 度 并 未 对 三 七 叶 绿 素 合 成 产 生 损 伤 此 结 果 与 左 应 梅 等 18 的 研 究 结 果 一 致 在本实验的干旱处理下叶绿素含量以及可溶性蛋 白 含 量 与 对 照 相 比 有 升 高 的 趋 势 但 是 升 高 的 量 不 多 前 人 研 究 表 明 当 植 物 遭 受 干 旱 时 可 溶 性 蛋 白 含 量将升高 随着干旱程度的加重 可溶性蛋白含量升高 的 幅 度 变 大 19 因 此 综 合 其 他 各 类 指 标 可 能 是 此 次 干 旱 程 度 并 未 对 三 七 的 光 合 以 及 水 分 渗 透 压 产 生 损 伤 在 本 研 究 中 三 七 受 到 干 旱 胁 迫 后 可 溶 性 蛋 白 POD SOD CAT MDA 均 有 不 同 程 度 的 升 高 其 中 与对照相比变化最大的是MDA 增加了88 41 MDA 与 植 物 细 胞 膜 受 伤 害 损 伤 的 程 度 呈 正 相 关 20 说 明 在 干旱处理下细胞膜系统受较大损伤 三七遭受干旱土 壤 中 含 水 量 降 低 时 三 七 叶 片 对 其 敏 感 程 度 排 名 从 高 到 低 依 次 为POD CAT SOD 此 结 果 与 左 应 梅 等 18 在 4 种 人 参 属 植 物 的 抗 旱 性 比 较 研 究 中 POD 活 性 比 SOD 活 性 在 土 壤 含 水 量 低 时 敏 感 度 高 相 一 致 且 与 赵 宏 光 等 21 在 调 整 土 壤 含 水 量 探 讨 三 七 叶 片 对 土 壤 水 分 含 量 的 响 应 特 点 研 究 中 对 土 壤 含 水 量 敏 感 度 排 名 从 高到低依次为POD 活性 SOD 活性一致 对 干 旱 三 七 转 录 组 功 能 注 释 分 析 表 明 9 顺 式 环 氧 类 胡 萝 卜 素 双 加 氧 酶 NCED 蛋 白 磷 酸 酶 生 长 素 转 运 蛋 白 等 都 在 代 谢 通 路 上 且 富 集 显 著 NCED 是 控 制ABA 合 成 代 谢 的 关 键 酶 22 而ABA 是 植 物 缺 水 的 主 要 信 号 有 研 究 表 明 干 旱 条 件 下 植 物ABA 水 平 明 显 升 高 另 外ABA 是 触 发 干 旱 信 号 级 联 的 激 素 信 使 干 旱 胁 迫 下 的ABA 能 诱 导 脯 氨 酸 的 积 累 23 24 本 实 验 中NCED 在 代 谢 通 路 上 显 著 富 集 说 明 三 七 在 受 到 干 旱 胁 迫 时 积 累ABA 应 对 干 旱 环 境 水 分 胁 迫 下ABA 增加能诱导脯氨酸的积累 提高细胞的保水能力 维持 了 细 胞 正 常 的 代 谢 25 在 本 研 究 中MDA 显 著 升 高 而 叶 绿 素 含 量 也 升 高 推 测 三 七 在 本 研 究 中 的 干 旱 胁 迫 下三七积累了脯氨酸 增强了自生的抗旱性 本 实 验 将 影 响 植 物 抗 旱 性 的 多 种 相 关 酶 进 行 分 析 清 晰 地 展 现 出 三 七 抗 旱 性 规 律 为 今 后 三 七 遭 受 干 旱 胁 迫 时 生 理 机 能 的 变 化 情 况 提 供 科 学 的 参 考 依 据 干 旱 胁 迫 对 文 心 兰SOD 活 性 和POD 活 性 影 响 程 度 为SOD 活 性 POD 活 性 与 本 实 验 结 果 相 反 可 能 是 植 物 种 类 不 同 其 对 应 的 抗 旱 性 机 理 存 在 差 异 26 干 旱 处 理 与 对 照 相 比 CAT 变 化 量 是 所 有 指 标 中 最 小 的 丁 菲 等 27 研 究 表 明 CAT 酶 在 构 树 抗 干 旱 胁 迫 上 的 作 用 不 明 显 MDA 升 高 幅 度 最 大 有 研 究 中 用MDA 含 量 来 衡 量 三 七 叶 片 膜 脂 过 氧 化 及 细 胞 膜 受 伤 害 程 度 本 研 究 中 干 旱 处 理 的MDA 活 性 是 所 有 测 定 指 标 中 升 高 幅 度 最 大 的 说 明MDA 在 整 个 抗 旱 性 机 理 中 很 重 要 徐 若 等 干 旱 胁 迫 对 三 七 生 理 指 标 的 影 响 及 转 录 组 分 析 57中国农学通报 5 不足与展望 干 旱 胁 迫 对 于 植 物 研 究 是 一 个 研 究 重 点 和 难 点 在以往和今后的研究中都是研究热点 本研究从