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野牛草种质资源抗旱性评价及抗旱基因初步挖掘认领

作者：

王雪萍

学位授予单位：

甘肃农业大学

摘要：

野牛草(Buchloe dactyloides)是禾本科(Gramineae)野牛草属(Buchloe)多年生的匍匐型草本植物,主要分布在西北和华北等地区。具有耐旱、耐寒、耐践踏、匍匐茎发达和抗病虫害能力强等特点,是干旱半干旱地区生态修复的重要草种。已有研究表明,植物在不利的环境因素影响下能够诱导GH3基因的表达,从而提高生长素含量,参与植物对逆境胁迫的响应。然而,野牛草GH3基因尚未被研究,其参与野牛草逆境的分子机理尚不明确,需进行详细系统的研究。为挖掘抗旱性优异的野牛草种质资源,本试验对国内外12份野牛草种质资源进行苗期耐旱性评价,获得了抗旱性强的野牛草种质‘中林育1号’;并对‘中林育1号’野牛草(Buchloe dactyloides'Zhonglinyu No.1')幼苗干旱胁迫后进行高通量转录组测序,筛选出耐旱基因GH3并对GH3基因家族成员进行鉴定及生物信息学分析。本试验从生理及分子层面对野牛草低抗逆境过程的机制进行了探索,丰富了植物耐旱机理,为野牛草耐旱种质改良及选育提供了理论依据。主要研究结果如下: (1)干旱胁迫不同程度地影响了12份野牛草种质资源材料的生理生化过程,表现为叶片相对含水量、株高、地上部鲜重和茎粗降低,细胞膜受到损伤,渗透调节物质增加,抗氧化酶系统被激活,引起SOD、POD和CAT酶活性显著升高。利用隶属函数分析法得出12份野牛草种质资源材料耐旱性强弱排序依次为:中林育1号>62-42>53-3A>55-6>69-1>61-10>3-12B>26-2A>59-2B>60-4B>65-4>6-4。 (2)植物激素代谢通路与植株的抗旱性密切相关,对抗旱型种质材料‘中林育1号’野牛草(Buchloe dactyloides'Zhonglinyu No.1')干旱胁迫后进行转录组测序,研究发现叶片和根系中的差异基因主要富集在植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、MPKA信号通路和光合生物碳固定等通路。在所有差异基因中TF家族类型较多,占比最多的是C2H2、MYB、AUX/IAA和ARF等家族,并且其大多数成员上调表达,推测这4个转录因子家族的基因可能会对‘中林育1号’野牛草响应干旱胁迫起调控作用。 (3)qRT-PCR研究结果表明,和CK相比,10个DEGs的表达检测结果均具有与RNA-Seq数据一致的表达模式。根据DEGs的表达水平和KEGG功能富集分析的结果,以|log2Fold Change|≥2且FDR<0.05为筛选条件,将高表达的GH3基因作为‘中林育1号’野牛草响应干旱胁迫的相关候选基因。 (4)‘中林育1号’野牛草中共鉴定出16个GH3家族基因,在11条染色体上呈不均匀分布,大多数BdGH3蛋白定位于叶绿体中。顺式作用元件分析表明BdGH3基因含有多个响应光信号、激素信号和干旱、低温等逆境相关的顺式作用元件。表达模式分析结果显示叶中BdGH3.1和BdGH3.15基因,根中BdGH3.5和BdGH3.9基因的表达量水平在整个干旱胁迫时期均表现为持续显著上调表达。综上所述,野牛草通过生长、生理及基因调控协作配合以适应干旱胁迫。干旱胁迫下野牛草感受到缺水信号后,传递并激活相关调控基因,从而引起功能蛋白表达发生变化导致野牛草光合作用降低,进一步减弱了碳的同化及代谢功能,最终引起植株生长减缓;持续干旱下细胞失水引起渗透调节基因表达,促使细胞体内渗透物质的含量增加,提高其渗透调节能力;此阶段过氧化信号逐渐增强,促使野牛草通过提高抗氧化酶类活性,有效减缓了缺水导致的过氧化伤害。

摘要译文

关键词：

野牛草; 干旱胁迫; 转录组测序; 基因家族; 表达模式

学位年度：

2025

学位类型：

硕士

学科专业：

草学

导师：

马晖玲李晓霞

中图分类号：

S543.9;S543[多年生禾本科牧草⑨]

学科分类号：

0901[作物学];090902[牧草学]

D O I：

10.27025/d.cnki.ggsnu.2025.000208