低温胁迫下糯玉米种子萌发过程的转录组及代谢组学分析

来源 :仲恺农业工程学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoyixay
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鲜食糯玉米生长周期短,复种指数高,但早春、晚秋及冬种易受倒春寒、寒潮影响,导致萌发出苗较差,从而影响糯玉米产量、周年性生产及提早上市。因此,研究糯玉米低温萌发机理具有重要的理论意义。本研究通过低温胁迫下萌发期表型及生理指标筛选出耐低温和低温敏感的糯玉米自交系,同时解析在低温胁迫萌发过程中的转录组与代谢组水平的差异基因和代谢物、研究糯玉米低温胁迫响应调控网络的分子机理,主要研究结果如下:1、以41份糯玉米自交系常温萌发为对照,在低温(15℃)下萌发时,N28和N67的发芽率、活力指数、芽长、根长、鲜重及干重达到显著差异水平,发芽势、发芽速度指数及根长达到极显著差异水平,而在常温下萌发时表型指标差异均不显著。2、低温胁迫0h、24h、48h、72h、96h后,结果表明N67和N28的SOD、POD、CAT、丙二醛、脯氨酸、可溶性糖及电导率等生理指标均呈上升趋势,N67与N28相比,电导率和丙二醛含量上升较快,其它指标均较慢,且N67的电导率及丙二醛含量显著高于N28,N28的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、脯氨酸及可溶性糖含量均高于N67,这些生理生化物质可以清除植物逆境胁迫下积累的有害物质,增强植物的耐逆性。3、N28和N67在低温胁迫下萌发时产生特有差异基因分别为1,682、1,778个,有361个差异基因在两个自交系中都存在,1,320个差异基因只存在于N28中,1,416个差异基因只存在于N67中。KEGG富集结果表明,差异基因主要富集到代谢途径、次生代谢产物的生物合成、植物激素信号转导、植物MAPK信号途径、淀粉和蔗糖代谢、ATP结合盒转运蛋白家族、类黄酮生物合成、TCA循环途径。GO分类统计发现,差异基因主要在胞膜及膜组分、细胞及细胞成分、细胞器及细胞器组分、催化活性及结合功能、代谢过程、生物调控过程、刺激物反应过程、生物调节过程等13个通路中所占比例较高。GO富集分析结果表明,差异基因主要在光合膜、叶绿体膜、质膜、光合作用、内胚体部分、内体膜、黄素腺嘌呤二核苷酸结合途径、刺激物检测途径及包被囊泡膜途径显著富集。4、N28和N67低温胁迫下萌发时产生特有差异代谢物分别为27、11种,有3种差异代谢物在两个自交系中都存在,有24种差异代谢物只存在于N28中,有8种差异代谢物只存在于N67中。差异代谢物聚类分析结果表明,酚酸类物质阿魏酸甲酯、脂质类物质9-羟基-12-氧代-10-十八烯酸及有机酸类物质海参素在N28中含量很高而在N67中含量很低。KEGG富集分析发现N28在低温胁迫下产生的27种差异代谢物,有3种差异代谢物富集到ATP结合盒转运蛋白家族、3种富集到次生代谢物生物合成途径、6种富集到代谢途径、1种富集到戊糖和葡萄糖醛酸相互转化途径;N67在低温胁迫下产生的11种差异代谢物,有2种差异代谢物富集到ATP结合盒转运蛋白家族、2种富集到次生代谢产物的生物合成途径、2种富集到代谢途径。两个材料的差异代谢物在ATP结合盒转运蛋白家族富集最显著,其次是次生代谢物的生物合成途径,且N67比N28富集更显著,表明低温胁迫对糯玉米种子萌发过程中代谢途径尤其是次生代谢途径产生较大的影响。5、N28与N67在低温胁迫下产生的差异基因与差异代谢物聚类分析表明,主要聚类在生物碱类、氨基酸及其衍生物、黄酮类化合物、木脂素和香豆素、脂质、核苷酸及其衍生物、有机酸、酚酸及其他类物质。KEGG通路分析表明,N28在ATP结合盒转运蛋白家族通路中,富集到68个差异基因和3种差异代谢物;N67在富集到74个差异基因和2种差异代谢物。ATP结合盒转运蛋白家族通路相关性网络分析发现,N28在此通路中富集到3个差异基因(Zm00001d018291、Zm00001d048621、Zm00001d040562)对应1个差异代谢物(pme3732),且差异基因与差异代谢物之间呈负相关;N67在此通路中富集到2个差异基因(Zm00001d013254、Zm00001d053612)一一对应两个差异代谢物(mws0219、mws0668),且差异基因与差异代谢物之间呈正相关,该结果为糯玉米低温萌发机理研究提供一定的参考价值。
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