关键词:
5-氨基乙酰丙酸
桃树
低温胁迫
光合系统
抗氧化酶
转录组测序
摘要:
低温胁迫是限制植物生长发育的主要非生物因素之一。阳春三月,天气回暖,百花盛开。受北方南下冷空气影响,此时极易出现“倒春寒”现象,严重的寒流可导致气温骤降至0℃以下。这对刚刚开花的果树来说,危害极大。生殖器官受冻会导致产量下降,减产,甚至绝收。桃树(Prunus persica L.)是一种重要的温带落叶果树,其冬季休眠期花芽可以忍受-23℃~-26℃低温,但在春季,花蕾的受冻温度为-1.7℃,开放花朵的受冻温度为-1.1℃。“倒春寒”现象常常难以预测,若没有及时的预防措施,一旦寒潮来临,将会对生产造成灾难性损失。因此,如何提高桃树在花期抵御低温胁迫的能力,是一个具有生产实践意义的重大课题。5-氨基乙酰丙酸(5-Aminolevulinic acid,ALA)是卟啉类化合物的生物合成的前体,参与合成叶绿素、亚铁血红素和维生素B12(钴胺素)等。众多学者研究发现,ALA除作为中间产物参与生物代谢之外,还具有类似植物激素的作用,可以参与调节植物的生长发育,并在帮助植物抵御非生物胁迫等方面具有重要作用。ALA能够提高植物耐寒性已被前人证实,但ALA提高桃花耐寒性效应与机理迄今还鲜有报道。本文以桃树花期叶片、花朵和雌蕊为材料,进行不同时间的低温处理后测定相关生理指标,并通过对子房转录组测序,筛选出了ALA调控桃花耐寒性的关键转录因子,为探究ALA防寒机制提供了参考依据。研究主要结果如下。1.为了解外源5-氨基乙酰丙酸(ALA)预处理对桃树幼叶低温胁迫的影响,本试验以春季桃树幼叶为试材,用50 mg·LALA溶液喷施叶片,然后于处理后第3、6、9和12 d采集幼叶,置于-6℃低温冰柜中处理0、2、4和6 h。结果表明,与清水对照相比,ALA预处理6-12 d,可以显著抑制低温胁迫导致的桃树叶片叶绿素快速荧光诱导动力学曲线早期荧光上升和晚期荧光下降。方差分析表明,ALA预处理6 d时显著提高PSII和PSI反应中心最大光化学效率(分别为φP_o和φR_o)、PSI反应中心被氧化的最大速率(V)以及PSII传递电子还原PSI反应中心的最大速率(V)。生理生化分析表明,低温胁迫导致桃树叶片相对电导率上升,而ALA预处理显著抑制其上升幅度。ALA预处理提高了低温胁迫下的桃叶SOD、CAT和POD酶活性,提高了可溶性蛋白质、可溶性糖和脯氨酸含量,降低了MDA含量。q RT-PCR分析表明,ALA预处理上调了PSII反应中心关键基因Psb B、Psb28、Psb O、Psb R和Psb Y以及脯氨酸合成关键基因P5CS1和P5CR的表达,下调了脯氨酸降解基因PDH的表达。2.为研究ALA根灌对花期整株桃树遭受低温胁迫的影响,本试验以盆栽水蜜桃树为实验材料,在盛花期前10 d左右用50 mg·LALA溶液进行根灌,然后于盛花期将整株桃树置于-4℃低温冷库中处理0.5、1.5、2.5和3.5 h,测定不同处理的幼叶叶绿素快速荧光曲线,分析相关叶绿素荧光参数;测定花瓣相对电导率、细胞相对活力、可溶性糖含量及可溶性蛋白质含量,并将不同处理的子房制成石蜡切片观察其细胞形态结构的变化。结果表明,ALA预处理可以显著抑制低温胁迫导致的桃树叶片叶绿素快速荧光诱导动力学曲线早期荧光上升和晚期荧光下降,增加PSII反应中心活性,减少低温导致的热量散失,缓解低温胁迫对光合系统的伤害;能降低低温胁迫下花瓣的相对电导率,提高细胞相对活力、可溶性糖含量及可溶性蛋白质含量,能提早子房细胞质壁分离,减缓细胞变大变形,减轻细胞破裂程度。3.为了探究ALA提高桃树耐寒性的分子生物学机理,本试验以常温对照、-4℃低温处理6 h及ALA预处理后低温处理的桃花雌蕊为材料,开展转录组测序分析。结果表明,9个样品纯化后共获得382,950,276条Clean Reads,有86.44%~93.57%均能比对到桃参考基因组。三个处理组一共鉴定到3138条差异基因,L_C vs A_L鉴定到379个共同差异基因,379个DEGs中共预测到7个转录因子,其中Pp WRKY24、Pp WRKY18、Pp ERF110在L_C和A_L中均上调表达。将L_C和A_L上下调基因分别进行GO富集分析,发现L_C-up和A_L-down有5条相同GO条目。分别将L_C-down vs A_L-up,L_C-up vs A_L-up,L_C-up vs A_L-down共同差异基因进行KEGG代谢通路分析,分别富集到5、12和13条代谢通路。另外,ALA预处理能够诱导低温下桃花雌蕊中与光合作用、呼吸作用和ABA、JA信号转导通路有关的大部分关键基因表达上调,而使病程相关蛋白PRs等编码基因表达下调。PPI分析表明,L_C vs A_L共有16个关联基因,其中Pp WRKY24处于核心调控位置。整体分析表明,ALA可