白菜型油菜同源四倍體與二倍體之間鹽和鎘脅迫耐性的差異及其分子機(jī)理.pdf

1、白菜型油菜(Brassica campestris L.)是油菜三大類型之一。中國(guó)又稱小白菜、矮油菜、甜油菜等。白菜型油菜在既是油料作物,又是一種非常重要的蔬菜。“矮腳黃”白菜是長(zhǎng)江流域的主栽品種,在浙江也有大面積種植。
　　 多倍體與二倍體比擁有較大的營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官,在生長(zhǎng)過程中表現(xiàn)出一定的抗性優(yōu)勢(shì),但以往的研究多集中在異源多倍體的抗性差異上,而對(duì)同源多倍體和二倍體的抗性差異研究甚少。本文采用同源四倍體“矮腳黃”白菜和二倍

2、體“矮腳黃”白菜為材料,其中同源四倍體“矮腳黃”白菜是由二倍體“矮腳黃”白菜直接加倍而來。文章從生理生化、表觀遺傳、分子表達(dá)三個(gè)角度研究了二者在鹽和鎘逆境條件下的逆境差異機(jī)理,得到的主要結(jié)果如下:
　　 1)同源四倍體在高鹽脅迫下具有較快的發(fā)芽速度,較多的健康植株數(shù);低濃度鹽能夠有效的刺激四倍體莖和根的生長(zhǎng)。發(fā)芽7天后,四倍體和二倍體植株體內(nèi)的鉀鈉鈣離子在不同組織中的分布存在差異明顯。四倍體在高鹽濃度中具有一定的抗性優(yōu)勢(shì),而Na

3、+/Ca2+可以作為篩選白菜抗性品種的一個(gè)重要指標(biāo)。
　　 2)在5-7葉期間,四倍體葉綠素含量受到鹽害的影響較二倍體小,四倍體體內(nèi)的抗氧化還原劑GSH較二倍體含量高,四倍體白菜和二倍體白菜在鹽脅迫下用不同的活性氧清除體系,四倍體的抗氧化酶體系更加穩(wěn)定。鹽處理后期,鉀鈉鈣離子在地上組織和地下組織中的分布差異明顯,二倍體的地上組織能夠吸收更多的鈉離子,四倍體能夠在一定程度上阻止鈉離子向地上部分運(yùn)輸;四倍體的地下組織吸收更高的鈉離子

4、含量以及保持高水平的鉀離子水平。四倍體在根部能通過保持較高的K+/Na+比值,使其具有一定的抗鹽優(yōu)勢(shì)。隨著處理時(shí)間的增加,二倍體和四倍體的Na+/Ca2+比值差異越大,這些實(shí)驗(yàn)說明四倍體可以通過保持較低的Na+/Ca2+比值來緩解鹽害。
　　 3)發(fā)芽7天后發(fā)現(xiàn)在高濃度的鎘處理中,四倍體在發(fā)芽率、根莖長(zhǎng)以及健康植株數(shù)目指標(biāo)上比二倍體具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著處理濃度的增加,二倍體各組織中鎘的含量逐漸增加。四倍體在高濃度的處理下發(fā)芽期可

5、以通過限制鎘的攝入來降低根部的鎘濃度。
　　 4)隨著鎘處理濃度和時(shí)間的增加,四倍體葉綠素和GSH含量比二倍體高,葉片內(nèi)的MDA積累量要比二倍體低。四倍體白菜和二倍體白菜在鎘脅迫下,抗氧化酶變化趨勢(shì)存在著差異,四倍體的抗氧化酶的活性在鎘環(huán)境中的緩沖力要強(qiáng)于二倍體。說明了四倍體在鎘脅迫下其體內(nèi)的活性氧、過氧化氫可以通過高含量的GSH以及穩(wěn)定的抗氧化酶體系得到及時(shí)的清除,使得四倍體在鎘脅迫下有一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。鎘進(jìn)入四倍體根部后,有一

6、部分運(yùn)輸至地上組織(葉片),減輕了鎘對(duì)四倍體根部的毒害。
　　 5)用MSAP分析四倍體和二倍體的逆境抗性的差異,56對(duì)引物共得到14382條擴(kuò)增帶,總甲基化條帶共2924條。二倍體和四倍體在鹽脅迫中,其總體甲基化水平都呈下降趨勢(shì)。在鎘脅迫環(huán)境中,兩者的總體甲基化有上升的趨勢(shì)。二倍體的甲基化水平下降了1.5個(gè)百分點(diǎn),而四倍體下降了2.5個(gè)百分點(diǎn),四倍體甲基化程度下降得更快;在鎘處理中,二倍體的甲基化水平上升了2.7個(gè)百分點(diǎn),四倍

7、體上升了3.5個(gè)百分點(diǎn),四倍體鎘甲基化水平上升的程度更高。
　　 6)二倍體和四倍體經(jīng)過逆境條件下,其MSAP的甲基化模式發(fā)生了改變,四倍體在鹽脅迫下與二倍體在鹽脅迫下,有35％的甲基化模式發(fā)生了去甲基化(B類型)過程,20.0％發(fā)生過甲基化(C類型)轉(zhuǎn)變;四倍體在鎘脅迫下與二倍體在鎘脅迫下,有24.8％的甲基化模式發(fā)生了去甲基化(B類型)過程,25.8％發(fā)生過甲基化(C類型)轉(zhuǎn)變。鹽脅迫下,四倍體發(fā)生去甲基化的位點(diǎn)數(shù)比二倍體多

8、,而發(fā)生過甲基化位點(diǎn)數(shù)相差不大,暗示了去甲基化位點(diǎn)在四倍體白菜和二倍體白菜鹽脅迫差異中啟著重要的作用;鎘脅迫下,四倍體發(fā)生過甲基化的位點(diǎn)數(shù)比二倍體多,而發(fā)生去甲基化位點(diǎn)數(shù)相差不大,說明了過甲基化位點(diǎn)在四倍體白菜和二倍體白菜的鎘脅迫差異中啟著關(guān)鍵性作用。
　　 7)cDNA-AFLP實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與二倍體和四倍體各自在對(duì)照條件下相比,二者在鹽和鎘脅迫條件下的差異有擴(kuò)大的趨勢(shì)。在鹽脅迫的差異片段中,二倍體基因表達(dá)被抑制的有14條(0.

9、52％),四倍體基因表達(dá)被抑制的7條(0.26％);四倍體基因表達(dá)被誘導(dǎo)的差異基因有10條(0.37％),而二倍體被誘導(dǎo)的差異基因有5條(0.19％)。在鎘脅迫的差異片斷中,二倍體基因表達(dá)被抑制的有7條(0.26％),四倍體基因表達(dá)被抑制的為16條(0.60％);四倍體基因表達(dá)被誘導(dǎo)的有5條(0.19％),二倍體基因表達(dá)被誘導(dǎo)的有12條(0.45％)。四倍體和二倍體在不同的逆境環(huán)境中基因表達(dá)的模式有很大的差異,在鹽脅迫中,差異片段在二倍

10、體中大部分被抑制,在四倍體中大部分被誘導(dǎo);鎘脅迫下,二倍體中大部分的基因表達(dá)差異體現(xiàn)為被誘導(dǎo),而在四倍體中大部分的基因表達(dá)差異體現(xiàn)為被抑制。
　　 8)對(duì)鹽和鎘的不同脅迫下,對(duì)二倍體和四倍體中的差異片段進(jìn)行測(cè)序發(fā)現(xiàn),鹽脅迫導(dǎo)致的18條TDFs中有16條(88.9％)在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫已有基因的功能(或者推測(cè)功能)的描述,兩條TDFs中有1條其功能未知,另外一條和現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中基因無任何同源性。16個(gè)TDFs按照功能可以分為三類:細(xì)胞代謝

11、類、脅迫響應(yīng)類、轉(zhuǎn)錄因子類。鹽脅迫中的差異片段功能大部分參與了ABA信號(hào)合成及傳遞、過氧化物酶合成、醛脫氫酶合成、甜菜合成鍵酶的過程。在鎘脅迫差異片段中,20條DFs中有15條(75％)在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫已有基因的功能(或者推測(cè)功能)的描述,有5條功能不明確,其中3條與數(shù)據(jù)庫中的基因具有一定程度的同源性,另外2條在數(shù)據(jù)庫找不到同源基因。在鎘脅迫實(shí)驗(yàn)中,二倍體和四倍體有差異按照功能可以分為四類:細(xì)胞代謝類、脅迫響應(yīng)類、轉(zhuǎn)錄因子類、光合作用類。鎘