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研究开发能源植物小桐子是云南省和国家的能源战略需求,干旱是影响小桐子产量的主要环境因素。我们实验室研究表明干旱锻炼可显著提高小桐子幼苗的抗旱性。基于前期工作基础和已有的Illumina Hiseq 2000高通量测序系统,以经过两天10%PEG 6000干旱锻炼及随后空气干旱胁迫三天处理的生长周期为三周的小桐子幼苗为材料,在不同的时间点提取叶片RNA建库进行高通量测序,对非结构性碳水化合物的差异表达基因进行显著富集分析并构建代谢通路,测定小桐子幼苗叶片和茎中非结构性糖含量及对关键酶基因进行时空表达分析,从而解析小桐子幼苗中非结构性糖代谢通路对干旱的响应和适应机制。主要研究结果如下:1.在整个干旱锻炼及空气干旱胁迫下,小桐子叶片中合成淀粉的淀粉合成酶(SSS)、分支酶(SBE)基因都持续上调表达,其中基因表达倍数最高达到33倍,SBE基因表达倍数最高达到55倍;并且在干旱锻炼早期小桐子叶片中淀粉含量迅速上升,这说明淀粉积累对干旱胁迫显著响应;随着干旱时间延长,叶中淀粉含量开始有所下降,但实验组始终高于对照组,这可能是淀粉分解成可溶性糖来缓解干旱胁迫的压力的结果。这暗示经过干旱锻炼的小桐子幼苗在经受更强的干旱胁迫时可以快速分解淀粉来维持正常生命活动。2.小桐子幼苗在干旱胁迫过程中,叶中合成蔗糖的蔗糖磷酸合成酶(SPS)基因在DS72时达到最大上调表达倍数10倍,蔗糖合成酶(SS)基因在DS48时上调表达倍数达到35倍,转化酶(InV)基因在DS24时达到12倍;SPS、SS和InV三者共同调控小桐子体内蔗糖含量;在干旱锻炼阶段蔗糖有一定的积累,干旱锻炼阶段蔗糖有所积累,检测表明葡萄糖跟果糖含量降低,但在空气干旱阶段,蔗糖含量减少,分解的葡萄糖和果糖含量剧增。同样在茎中SPS基因在DH12时表达倍数最大,SS基因在DS48时达到30倍,而InV基因在DH48时上调表达达到9.5倍,在空气干旱阶段表达变化不显著;蔗糖、葡萄糖和果糖含量与叶中含量表达相反,锻炼阶段三者含量变化不明显,在空气干旱阶段,蔗糖含量明显有积累,而葡萄糖和果糖含量有明显下降,这可能与干旱胁迫时体内蔗糖转运特性有关。3.在棉子糖代谢过程中,干旱胁迫促进叶片中合成棉子糖系列寡糖的酶肌醇半乳糖苷合酶(GS)、棉子糖合酶(RS)基因上调表达显著,GS上调表达倍数最高达80倍,RS上调表达倍数更高达到2000倍,促进棉子糖系列寡糖的积累,说明干旱锻炼有利于小桐子叶片生成棉子糖系列寡糖作为渗透调节物质来缓解干旱胁迫损伤;茎中合成棉子糖系列寡糖的酶GS、RS基因也上调表达,均不如叶中显著,这说明小桐子幼苗叶片中GS和RS基因比茎中基因更加敏感。4.在海藻糖代谢过程中,小桐子幼苗叶中合成海藻糖的海藻糖磷酸合成酶(TPS)、海藻糖磷酸磷酸酶(TPP)基因呈上调表达,分解海藻糖的海藻糖酶(THase)基因呈下调表达;叶片中海藻糖含量在干旱锻炼及空气干旱前期持续升高,在DS24时海藻糖含量达到了峰值98.2 mg/g DW。小桐子幼苗茎中TPS、TPP、THase基因在干旱锻炼前期呈上调表达,说明在海藻糖代谢过程中茎对干旱胁迫更加敏感;随着干旱胁迫时间延长,叶片和茎中海藻糖含量都逐渐下降,但是实验组的含量始终高于对照组;这都说明干旱锻炼增加小桐子幼苗叶片中海藻糖的积累,更利于小桐子适应干旱胁迫。总体而言,通过非结构性碳水化合物在小桐子幼苗叶片跟茎中含量的测定及相关代谢途径的基因的时空表达特性分析表明,淀粉、蔗糖、棉子糖、海藻糖代谢途径中干旱锻炼阶段确实提高了相应可溶性糖的含量来稳定细胞渗透压,进而缓解干旱胁迫损伤,维持小桐子的基本生长过程。这些研究结果为解释小桐子抗旱性的分子机制以及抗旱品种的选育提供了一定程度的理论依据。