| 题名 | 雌雄康定柳(Salix paraplesia)对增温的差异响应及分子机制 |
| 作者 | 廖君 |
| 答辩日期 | 2020 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张胜 |
| 关键词 | 雌雄异株 增温 雌性偏倚 分子机制 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Sex-related physiological responses and molecular mechanisms of Salix paraplesia to warming |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，对维持生态系统的结构和功能有着积极的作用。因不同性别之间具有不同的繁殖投资成本，在应对外界环境胁迫时雌雄植株通常会表现出性别二态性。温度是影响植物生长发育的重要环境因子，随着全球气温上升，雌雄异株植物在形态和生理特征上对其有不同的响应。然而，不同物种的雌雄异株植物在应对增温时所表现出的响应模式尚无统一结论，且鲜有从分子水平对其形态和生理特征的变化做深入探究。柳属为典型的雌雄异株植物，在世界分布广泛，具有生长速度快、适应能力强和易于栽植等特点，常作为生态修复区的先锋树种，具有重要的生态价值和经济价值。在增温的情况下，柳属植株在形态、生理生化方面将产生怎样的变化？柳树雌株和雄株是否会产生性别相关的差异响应？其中的分子机制又是什么？为了探究上述问题的答案，本研究选取川西北地区广泛分布的山地灌丛—康定柳(Salix paraplesia)为研究材料，以人工气候室模拟增温的方法对雌雄康定柳幼苗进行增温4°C处理，测定了株高、基径、生物量、气体交换、过氧化物酶、脯氨酸和细胞超微结构等形态生理指标，分析了在转录组和蛋白组水平雌雄康定柳对增温产生生理响应的分子机制，主要结果如下：(1) 康定柳对增温的生理响应增温处理明显增加了康定柳雌雄植株的株高、基径、地上生物量和根茎叶总生物量，促进了康定柳叶片的光合速率升高以及与光合速率变化相关的胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率和叶绿素浓度均增加，且雌株比雄株康定柳具有更快的生长和更高的生物量和光合速率，这表明雌株康定柳的资源获取能力比雄株康定柳要强。与对照组相比，增温降低了康定柳根茎叶各个部位的淀粉、可溶性总糖和非结构性碳水化合物含量，且雌株康定柳根部比雄株具有更高的非结构性碳水化合物含量和脯氨酸含量，雌株康定柳比雄株根部在增温条件下具有更好的养分吸收能力和渗透调节能力。另外，雌株康定柳可能由于需要为生殖生长做准备而比雄株康定柳积累更多碳水化合物。(2) 康定柳叶片和根部响应增温的转录组学研究通过利用Illumina HiSeqTM 4000测序技术，对增温组和对照组的康定柳叶片和根部进行转录学研究。增温后，康定柳叶片和根部均存在大量差异基因共同富集在次级代谢、植物激素代谢、氨基酸合成与降解、能量代谢和细胞壁与应答胁迫过程中。然而，在转录组水平，增温引起康定柳的根部比叶片有更多差异基因表达。康定柳不同组织响应增温的转录组学差异体现在植物激素合成方面：在叶片中主要是和茉莉酸合成与降解有关，而在根部主要是和细胞分裂素过程相关基因的表达有关；在次级代谢物合成方面：在叶片中，增温激活了康定柳叶片中调控花青素合成和黄酮、异黄酮途径相关酶的基因的表达，对康定柳叶片的光合作用和糖类合成均有促进作用，表现在与光合作用途径相关的光反应和淀粉和蔗糖合成过程相关酶表达均增加。在转录组学水平上，雌株和雄株康定柳在响应增温时的性别差异体现在：增温后，在叶片中，雄株康定柳叶片有更多差异表达基因在花青素和黄酮醇合成、天冬氨酸和苯丙氨酸合成、茉莉酸合成过程和热激蛋白合成过程中上调；在雌株叶片中α-亚麻酸代谢途径中相关差异表达基因上调。在根部，雌株康定柳根部有更多差异表达基因在α-亚麻酸代谢、天冬氨酸和苯丙氨酸合成过程上调；雄株康定柳根部有更多差异表达基因在细胞分裂素合成过程上调。因此，在转录组水平，雄株康定柳的叶片有更多的差异表达基因和合成可以保护自身的次级代谢物、氨基酸、茉莉酸和热激蛋白来抵御温度升高带来的影响，雄株康定柳的根部可能有更好的生长和发育。(3) 康定柳叶片以及根部响应增温的蛋白组学研究利用iTRAQ技术，对康定柳叶片以及根部响应增温的蛋白组学开展了研究。结果表明，增温对雌株和雄株康定柳的叶片和根部与次级代谢、能量代谢过程、氨基酸合成与降解、激素合成以及热激蛋白合成相关过程的蛋白产生了明显的影响。与叶片相比，增温对康定柳根部的影响更大，雄株康定柳根部差异蛋白显著富集的通路条数是雌株康定柳根部的两倍。在蛋白组水平，增温促进了康定柳叶片和根部共同变化的过程包括：次级代谢物质合成、氨基酸合成、蔗糖降解以及均有大量激素合成。但增温也引起了康定柳的叶片和根部相关蛋白的组织特异性表达，在叶片中与花青素合成相关而在根部则与的生物碱合成有关；增温后，无论是在叶片还是在根部，雄株康定柳均会合成更多的氨基酸来提高其适应性，并且康定柳根部有更多相关的差异蛋白表达；在与激素合成过程方面，在叶片中主要是与抑制生长的脱落酸合成相关酶的变化有关，而根部主要是和提高耐热性的茉莉酸合成过程有关；与热胁迫的响应相关差异蛋白在康定柳叶片和根部存在性别之间差异响应的模式相反。在叶片中：与花青素合成相关蛋白在雌株康定柳叶片中比雄株叶片明显表达量增加；在氨基酸合成与降解方面，雌株叶片以减少亮氨酸降解为主要方式，而雄株叶片则是增加酪氨酸的合成；增温后与热胁迫的响应相关差异蛋白的丰度在雌株康定柳叶片中以降低为主，而雄株叶片中以增加为主。在根部：增温后雄株根部比雌株根部倾向于合成更多的生物碱进行自我保护；在能量代谢方面，雄株康定柳根部采取的策略是增加糖类来源和提高蔗糖降解和糖酵解为根部供能，而雌株康定柳根部更倾向于采取减少淀粉降解的保守型策略；另外，增温后雌株康定柳根部的热激蛋白的表达丰度高于雄株。总的来说，增温后雄株康定柳根部比雌株根部倾向于合成更多的生物碱、氨基酸和更多的茉莉酸合成来进行自我保护和提高耐热性。总之，本研究结果显示增温对康定柳的生长有一定促进作用，且雌株康定柳在资源获取能力和糖类积累方面比雄株康定柳更具有优势，因此，我们推测全球变暖后雌株柳树比雄株会更好的生长。转录组学和蛋白组学结果表明增温所触发康定柳不同组织的响应差异很大，康定柳根部明显比叶片具有更多的差异基因和蛋白表达，并且不同组织之间性别差异响应明显，特别是在能量代谢和氨基酸合成降解方面雌株和雄株康定柳具有不同的策略。雄株康定柳比雌株具有更多的策略来应对增温，表现为雄株康定柳会比雌株康定柳有更多与氨基酸、茉莉酸合成以及糖类降解供能相关的差异基因和蛋白上调表达。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 216 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/55029]  |
| 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 | 廖君. 雌雄康定柳(Salix paraplesia)对增温的差异响应及分子机制[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
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