绵头雪莲呼吸作用及能量代谢相关基因表达模式对低温驯化的响应

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低温是常见的非生物胁迫之一,严重影响着植物的生长发育。在长期的进化过程中,植物为了抵御外界低温环境而逐步形成了高效、复杂的分子调控机制。环境胁迫常常导致线粒体的氧化防御系统遭到破坏、呼吸链电子传递受阻、呼吸途径受到抑制,从而使呼吸速率降低。高山植物能量代谢的分子调控机制少有报道。本研究以西藏绵头雪莲(Saussurea laniceps)愈伤组织为实验材料,测定低温驯化过程中雪莲愈伤组织的呼吸速率,基于低温转录组数据库,研究能量代谢相关基因表达模式对低温驯化的响应。主要研究结果如下:1.低温驯化引发呼吸速率变化。利用Seahorse XF 96能量代谢分析仪测定结果显示,低温驯化(4℃)初期(6d)使绵头雪莲愈伤组织呼吸速率和糖酵解速率显著降低,但随着驯化时间延长至第9d,呼吸速率及糖酵解有所回升,但仍低于对照水平;通过愈伤组织呼吸测定系统中加入抑制剂叠氮化钠和水杨基氧肟酸,发现常温培养、4℃低温驯化6d及9d的雪莲愈伤组织细胞色素C途径占总呼吸比例分别是86.21%、82.11%和80.40%;而交替呼吸途径占总呼吸比例由13.79%升高到17.89%和19.60%,表明低温驯化使雪莲愈伤组织交替呼吸途径比例显著升高。2.糖代谢相关差异基因挖掘。基于绵头雪莲愈伤组织低温转录组测序数据,筛选到与糖代谢相关的差异Unigene基因共47条,包括糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径,低温驯化使糖酵解途径相关的己糖激酶(HK)表达量升高,磷酸果糖激酶(PFK)表达量升高;同时磷酸戊糖途径关键酶葡萄糖酸内酯酶(PGLS)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(PGD)基因表达量显著提高。3.线粒体呼吸链相关差异基因的筛选与线粒体的分离与纯化。从低温转录组数据库中共筛选到呼吸链相关差异基因32条,其中抗氰呼吸途径的关键酶交替氧化酶(AOX)家族中AOX1、AOX2表达量显著升高。同时利用不连续蔗糖密度梯度离心法分离纯化愈伤组织线粒体,在基因水平上对线粒体进行了纯度验证。并以纯化的线粒体基因组RNA为模板,检测到线粒体基因组调控的基因在低温驯化后表达上调。4.稳定内参基因的筛选与比较。基于雪莲低温转录组测序数据,筛选出11个候选内参基因,对雪莲愈伤组织进行不同胁迫处理,并采用Ref Finder结合△CT、ge Norm、Norm Finder及Bestkeeper四种方法进行分析,发现ABA(75.7μM)处理后相对稳定的基因为UBC36、SKIPI,而PP2AA2、TUA2稳定性较低;SA(24μM)处理后以TIF3HI、PP2AA2较稳定,TUA2、UEVID稳定性低;JA(50μM)处理后以TIF3H1、UBL5较稳定,TUA2、UEVID稳定性较低。同时发现,采用低温(4℃)胁迫以TIF3B1、TUB3较稳定,而TIF3HI、TUB8稳定性低;盐胁迫(100m M)后TIF3HI、ELF5A相对稳定,TUA2、UEVID稳定性低;在紫外线处理UBC36、UBL5基因相对稳定,而SKIPI、TUA2稳定性则较低,说明绵头雪莲内参基因的筛选具有复杂性。
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