| 题名 | 雌雄青杨（Populus cathayana）根系对氮素缺乏的差异响应：基于组学分析 |
| 作者 | 宋海凤 |
| 答辩日期 | 2019-07-01 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 成都 |
| 导师 | 张胜 |
| 关键词 | 雌雄杨树 氮缺乏 转录组学 蛋白组学 代谢组学 |
| 其他题名 | Multi-omic approachs in exploring sexually differential responses of Populus cathayana roots to nitrogen deficiency |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 氮素在植物生命活动中具有重要作用，氮素缺乏不但可以降低植物的光合作用、影响植物的生长速率，还可以调整资源的分配方式改变植物的存活能力。雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，在生殖格局、空间分布和资源配置等方面表现出明显的性别差异，具有一定的性别偏移现象。杨树（Populus）常作为先锋树种生长于养分不足的土壤中，具有分布广泛、生长迅速、适应性强和容易繁殖等特点，是研究木本植物及雌雄异株植物生物学特性的理想材料。当生长环境中养分不足时，根系往往比叶片更为敏感。前期关于雌雄植物对元素缺乏的性别差异响应研究多集中于地上部分，而关于地下部分对元素不足的性别差异响应机制的研究还未展开。因此，本研究以雌雄青杨（Populus cathayana）根系为试验材料，通过缺氮处理，对雌雄青杨根系的生理特性、转录组学、蛋白组学及代谢组学特点进行比较分析，研究雌雄青杨根系对氮素缺乏响应的分子机制，探索木本雌雄植物呈现性别偏倚现象的原因，为林木经营管理及改良技术提供理论依据。本研究的主要研究结果如下：缺氮处理对雌雄青杨根系的生理特性产生了明显影响。结果表明，缺氮条件下，青杨雌株根系中的碳水化合物主要用于维持根系生长，非结构性碳水化合物含量降低；而青杨雄株的非结构性化合物以淀粉和可溶性糖的形式积累，用于提高细胞的渗透调节能力、维持细胞稳态并贮存养分。此外，缺氮雌株根系中的类黄酮含量高于缺氮雄株；而缺氮雄株中的总酚含量高于缺氮雌株，具有更高的活性氧清除能力。在激素调节方面，缺氮处理后的雌雄青杨根系中茉莉酸含量都显著增加，有利于提高其抗逆性能；水杨酸和脱落酸含量在雄株根系中的未发生明显变化，而在雌株根系中水杨酸的含量降低而脱落酸的含量增加。结果显示，缺氮处理后雌雄青杨采取了不同的方式调节本身适应力，雄株比雌株体现出更强的抗逆性。本试验通过利用Illumina HiSeq XTM测序技术，对缺氮条件下的雌雄青杨根系进行转录组学研究。结果显示，缺氮处理后雌雄青杨根系中参与氨基酸同化过程的基因表达水平下降。在对照条件下，雌株根系中与碳水化合物及能量代谢相关的基因表达量多低于雄株；而缺氮条件下，此类基因以及类黄酮合成相关的基因在雌株根系中的表达量多高于雄株。此外，在对照及缺氮条件下生长的雄株根系的抗病基因及热激蛋白基因的表达量多高于雌株，这可能是雄株青杨在胁迫条件下比雌株具有较强耐受性的原因之一。本研究通过iTRAQ技术对缺氮条件下的雌雄植株的蛋白质组学进行研究。结果显示，缺氮处理后雌雄青杨根系中与氨基酸同化相关蛋白的表达水平下降且在雌株中的表达量低于雄株。缺氮雌株根系中多种参与糖酵解过程的蛋白表达量增加；而在雄株根系中的表达量则减少。此外，异黄酮还原酶、肉桂酸-4-羟基化酶、无色花青素双加氧酶及黄烷酮-3-羟化酶等与类黄酮合成相关的蛋白在缺氮雌株中表达量增加。然而，过氧化物酶类蛋白在缺氮雄株根系中的表达量高于在缺氮雌株根系中的表达量。另外，为了进一步探索青杨雌雄根系在缺氮条件下分子调控机制，将雌雄青杨转录水平和蛋白水平表达数据进行关联分析。结果显示，雌雄青杨根系的转录组和蛋白组表达水平的关联性较低。关联到基因/蛋白的数量为2,797个，显著富集于碳代谢和氨基酸代谢等相关的初级代谢路径（前20条）。结果表明，缺氮处理后青杨雌株根系的糖酵解和类黄酮合成过程增强，而雄株的抗氧化酶的表达量高于雌株；并且雌雄青杨的次级代谢过程与可能转录后修饰过程密切相关。本研究中通过GC/MS技术获得大量原始数据，共得到90种代谢产物。结果表明，缺氮处理后与初级代谢相关的多数氨基酸含量在雌雄青杨根系中都显著下降，而与次级代谢相关的苯丙氨酸、丙氨酸仅在雌株根系中显著下降。同时，雌雄青杨根系中参与三羧酸循环的多种有机酸含量也明显下降；而多种可溶性糖的含量却在雌雄青杨根系中有所上升且雄株根系中的含量略高于雌株，也表明雄株的根系细胞在胁迫条件下具有更强渗透调节能力。另外，缺氮处理后的雌雄青杨根系中的儿茶酸、奎尼酸、咖啡酰奎宁酸和咖啡酸等代谢产物含量都显著上升并且咖啡酰奎宁和咖啡酸在缺氮雌株根系中的表达量略高于雄株。代谢组研究表明，雌雄青杨根系的氨基酸代谢、糖代谢、次级代谢过程受到了氮素缺乏的显著影响。青杨雄株根系中的可溶性糖物质的升高有助于提高其抗逆性，雌株根系则通过提高次级代谢产物提高其适应能力。总的来说，通过在多个层面上探究雌雄青杨根系对氮素缺乏的性别差异响应，本研究发现雌雄青杨根系的氨基酸合成、激素合成、碳水化合物代谢、次级代谢以及胁迫响应等过程都受到氮素缺乏的明显影响，且雌雄植株之间响应过程有所不同。缺氮条件下的青杨雌株根系中的茉莉酸、水杨酸和脱落酸的含量发生明显变化，糖酵解过程及类黄酮的合成过程明显提高；而雄株根系则是在氨基酸同化过程及胁迫响应过程具有一定的优势，能更好调节细胞渗透性，维持细胞稳态。青杨雌株和雄株根系在缺氮条件下表现出不同的响应策略，雄株比雌株体现出更强的耐受性，这可能是木本雌雄植物呈现性别偏倚现象的原因之一。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 161 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/33969]  |
| 专题 | 成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋海凤. 雌雄青杨（Populus cathayana）根系对氮素缺乏的差异响应：基于组学分析[D]. 成都. 中国科学院大学. 2019. |
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