| 娃娃菜是我国高原夏菜供给中的一种重要蔬菜作物。近年来,娃娃菜干烧心病严重影响其产量、品质和商品价值。缺钙是干烧心发生的主要原因,为了探究油菜素内酯(brassinosteroids,BR)是否能够缓解缺钙引起的娃娃菜干烧心症状,本研究以'秋玉黄’娃娃菜(Brassica rapa L.ssp.Pekinensis cv.Qiuyuhuang)为试材,通过水培营养液缺钙诱导其发生干烧心,然后外源喷施BR,分析不同处理下植株对钙离子的吸收、转运与分布;抗氧化防御机制;内源激素合成;光合作用以及细胞壁成分的变化,并利用转录组学和蛋白组学进一步分析差异表达基因和蛋白,以期阐明油菜素内酯缓解缺钙诱导娃娃菜干烧心发病的生理与分子机制,并挖掘抗性关键基因。获得如下研究结果:1.外源BR(0.5μM)能有效降低娃娃菜干烧心发病率和病情指数,并且能够通过上调钙离子转移、响应和结合相关基因的表达,提高钙离子转运蛋白Ca~(2+)-ATPase和质子泵H~+-ATPase活性,促进钙离子从地下部向地上部,从外叶向内叶的转运,从而缓解内叶因钙不足而引起的干烧心症状。2.外源BR能够显著抑制缺钙娃娃菜叶片中活性氧物质(ROS)的积累,提高抗氧化酶活性,改善As A-GSH循环,从而提高自由基清除效率,缓解缺钙引起的氧化损伤。同时,外源BR还能够通过调节内源植物激素含量缓解缺钙引起的干烧心症状。3.外源BR能够提高娃娃菜幼苗光合能力,减轻因缺钙叶片光合作用减弱而导致的光损伤,并通过下调叶绿素降解基因的表达,维持叶片叶绿素含量的稳定。同时,BR还能修复缺钙对叶肉细胞造成的损伤,提高细胞壁组分的含量,维持细胞正常的光合作用机制和细胞壁结构的稳定性,缓解缺钙诱导干烧心发生。4.对娃娃菜植株进行了转录组学分析,构建了发病前、初期、后期4个不同处理条件下的娃娃菜叶片样本c DNA文库,共获得263.61 Gb Clean Data,各样品Clean Data均达到6 Gb。缺钙诱导娃娃菜发生干烧心叶片中的差异基因(DEGs)共有7768个,经过Venn分析得出,上调DEGs 362个,主要富集在谷胱甘肽代谢、氨基酸生物合成、苯丙烷生物合成和MAPK信号通路。下调DEGs178个,主要富集在光合作用-天线蛋白,卟啉和叶绿素代谢和植物激素信号通路上;在正常营养液培养条件下,外源BR促进娃娃菜生长发育中共获得2912个DEGs,其中有1123个基因上调表达,主要富集在MAPK-植物信号通路、植物激素信号转导通路等途径。1789个基因下调表达,主要富集在苯丙烷生物合成途径、植物激素转导等途径;外源BR缓解缺钙诱导的娃娃菜干烧心中共筛选出1759个DEGs,其中382个基因上调表达,1377个基因下调表达。外源BR主要通过上调MAPK-植物信号通路,淀粉和蔗糖代谢、植物激素信号转导,角质、木栓碱和蜡的生物合成、次级代谢产物合成等途径,同时下调了苯丙烷生物合成、MAPK信号通路-植物,植物激素信号转导等途径中相关基因的表达,提高植株对缺钙条件的抗性,缓解娃娃菜干烧心的发生。5.利用蛋白组学分析技术对干烧心发病后期,BR缓解缺钙诱导的娃娃菜干烧心的差异蛋白进行分析,共筛选出530个差异蛋白(DEPs),其中上调DEPs 421个,下调DEPs 109个。这些DEPs主要富集在碳代谢、氧化磷酸化、糖酵解/糖异生、过氧化酶、α-亚麻酸代谢、谷胱甘肽代谢、氨基酸的生物合成等生理途径。通过PPI网络互作,筛选出COG8、ENO2与PGM1是重要预测蛋白。综上,推测BR在缓解娃娃菜幼苗遭受缺钙胁迫时激活了叶片中抗氧化系统,以便清除因缺钙造成的过多的ROS,促进了相关能量的循环,激素的互作和光合作用,从而缓解了缺钙胁迫及干烧心病症的发生。6.通过对发病后期转录组和蛋白组关联分析,外源BR缓解娃娃菜干烧心中上下调一致的差异基因/蛋白共100个,上调一致的差异基因/蛋白主要富集在半胱氨酸和蛋氨酸、硫代葡萄糖苷的生物合成、谷胱甘肽途径等通路;下调一致的差异基因/蛋白主要富集在苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢、氮代谢等通路。通过GO和KO中DEGs/DEPs进一步分析发现,外源BR可能通过调控氨基环丙烷羧酸氧化酶、1,2-二羟基-3-酮基-5-甲基硫代戊烯双加氧酶、谷胱甘肽过氧化物酶、花青素合酶、硫代葡萄糖苷生物合成基因MAM1、肌醇3-α-半乳糖基转移酶Gol S等相关性一致的基因/蛋白调节娃娃菜植株抗氧化能力、生长发育和氨基酸合成代谢,对娃娃菜干烧心的发生有一定的缓解作用。 |
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