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目的:土壤镉污染形势严峻,超富集植物将有助于土壤镉污染修复。超富集植物油菜毛状根响应镉胁迫是由多个数量性状基因座(QTL)控制的复杂性状,目前针对其系统调控机制尚不清楚。本论文主要目标是通过形态学、新转录本注释、蛋白组测序和转录组蛋白组整合分析,对镉胁迫下超富集植物油菜毛状根的响应机制进行分析,为促进镉超富集植物的基因改造和实际应用提供理论基础。方法:本论文以镉超富集植物油菜毛状根为试验材料,采用液体悬浮培养,模拟镉胁迫。对0和200μmol/L镉的培养液处理24 h的油菜毛状根进行观察,观察毛状根的个体水平、细胞水平和超微结构的变化。同时采用新转录本注释、Isobaric Tags(IBT)定量蛋白质组和整合分析对油菜毛状根响应短时镉胁迫的分子机制进行研究。结果:(1)镉胁迫下油菜毛状根细胞受到损伤,形态学发生明显变化。通过直接观察和扫描电镜发现镉胁迫下油菜毛状根发现褐化和侧根减少;半薄切片发现镉胁迫破坏了油菜毛状根的根尖细胞的完整性;通过透射电镜发现镉胁迫使油菜毛状根的细胞壁加厚、核仁弥散和线粒体肿胀。(2)转录组测序后新转录本注释。首先将甘蓝(Brassica oleracea)、罗马花椰菜(Brassica cretica)、山嵛菜(Eutrema yunnanense)、亚麻芥(Camelina sativa)、琴叶拟南芥(Arabidopsis lyrata)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)和荠菜(Capsella rubella)的蛋白组通过聚类分析建立十字花科数据库;然后将866个超富集植物油菜毛状根的新转录本与建立的十字花科数据库进行比对,其中68%注释到甘蓝中;基因本体(GO)分析显示新转录本主要富集在金属离子吸收、结合和转运相关的条目中。(3)油菜毛状根响应镉胁迫的蛋白组分析鉴定到1424个差异蛋白(DEPs),其中973个DEPs表达下调,451个DEPs表达上调;GO分析显示DEPs主要富集在结合、催化活性和转运蛋白活性条目中;DEPs在COG数据库中主要注释在信号转导代谢、蛋白翻译后修饰、蛋白周转和分子伴侣代谢中;KEGG分析显示MAPK信号转导途径、苯丙氨酸代谢、剪接体、植物-病原体互作等途径中富集到较多的DEPs;蛋白互作分析显示响应过程主要涉及结合、信号转导、蛋白翻译代谢等途径中相关蛋白的相互作用;亚细胞定位分析显示,DEPs主要分布在叶绿体、细胞核、内质网、质膜、线粒体和液泡中。(4)油菜毛状根响应镉胁迫的转录组蛋白组整合分析关联到118个DEGs/DEPs,相关系数为0.1874。转录组蛋白组表达趋势相同的相关系数和表达趋势相反的相关系数分别为0.6076和-0.5210。转录组蛋白组表达趋势相同的DEGs/DEPs主要涉及氨基酸运输和代谢、信号转导代谢、脂质运输和代谢、酵素运输和代谢、细胞壁/膜和抵抗代谢。转录组蛋白组表达趋势相反的DEGs/DEPs主要涉及碳水化合物运输和代谢、氨基酸运输和代谢、翻译和核糖体结构及生物发生;通路分析发现仅谷胱甘肽代谢、植物-病原体互作和植物激素信号转导途径具有显著性意义。深入分析显著性代谢通路,筛选出Br GSTU13,Br GSTU25,Br GSTU12,Br GCLC,Br CDPKX2,Br RBOH10,Br CALM5,Br FLS2,Br BAK1,Br GID1,Br DELLA和Br TCH4这些候选基因。结论:镉胁迫对超富集植物油菜毛状根的影响在个体水平、细胞水平、亚细胞水平和分子水平都有显著表现。转录组蛋白组整合分析发现DEGs/DEPs在剪接体、植物-病原互作、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、植物-病原体互作、MAPK信号转导、苯丙氨酸代谢等通路富集。进一步解析整合分析结果发现谷胱甘肽代谢、植物-病原体互作和植物激素信号转导通路具有显著性意义,从中筛选出Br GSTU13等12个候选基因。相关结果为镉超级耐受/富集转基因油菜的构建提供了重要理论基础。