中国特有种-沙芥幼苗在干旱胁迫下水分代谢生理响应及其表达谱分析

Pugionium cornutum(L.)Gaertn belong to Cruciferae vegetable,it is chinese endemic species and type species of Pugionium,mainly distributed in the duneland of Maowusu,the desert of Tenggeli in mongolian plateau,Pugionium cornutum(L.) Gaertn is a multifunction sand plant used as vegetable,medicine and feed.The project will use Pugionium cornutum(L.) Gaertn seedling as material,study water metabolism of root and leaf under soil drought stress.At the same time,the project will study mRNA expression Profile of leaf and root in Pugionium cornutum(L.) Gaertn seedling using high-throughpput Illumina sequeneing technology under soil drought stress,screen differentially expressed genes,analyze sequeneing results with informaties to forecast gene function,the study aim at revealing responding molecular mechanism of plant to drought stress.The project will fill blank of Pugionium cornutum(L.) Gaertn study field and supply stress gene for plant breeding of drought resistance.

十字花科蔬菜沙芥，是中国特有种和沙芥属的模式种，主要分布于蒙古高原的毛乌素沙地、腾格里沙漠等地区。沙芥是一种集菜用、药用、饲用为一体的多功能沙生植物，该课题以沙芥幼苗为材料，在土壤干旱的条件下，通过叶片和根系水分代谢生理指标的测定研究沙芥幼苗水分代谢的生理机制。利用新兴的高通量Solexa测序技术，对干旱胁迫条件下沙芥幼苗的基因表达谱进行研究，筛选出差异表达基因，应用生物信息学方法对其进行功能分析和功能预测，探明沙芥幼苗对干旱胁迫响应的分子机制。该课题研究不仅填补了沙芥属植物的研究空白，而且为进一步开展植物抗旱基因工程研究，培育抗旱的植物新品种奠定了基础。该课题研究不仅有重要的理论意义，且有重大的生态意义及广阔的应用前景。

本研究以沙芥为试材，通过人工模拟干旱，采用常规方法和高通量测序技术，研究沙芥在不同干旱胁迫下水分生理、转录组和差异基因表达谱的变化，从生理和分子角度阐述干旱对沙芥的影响及沙芥能够抵御干旱胁迫的原因。主要结果如下：.（1）随着干旱胁迫程度的加重，沙芥幼苗叶片的束缚水含量增加，叶片水势不断下降。光合参数和叶绿素荧光参数先上升后下降。根系根冠比不断上升。叶片和根系中渗透调节物质表现出上升后下降，丙二醛含量和质膜透性不断上升，抗氧化酶活性和抗氧化物先上升后下降。.（2）对正常生长、中度和极重度干旱胁迫下沙芥叶片cDNA进行提合后测序，转录组共获得了139,550,391条Reads片段；拼接得到51385条Unigene；通过COG功能可将获得的Unigene分为25类；GO分析分为61个分支，生物过程25个，细胞组分18个，分子功能18个；共得到122条Pathway，主要有代谢途径，氧化磷酸化和信号传导。转录组中找到符合条件的EST-SSR 5377个，其中2228个Unigene上找到单SSR，占全部SSR的41.44%，重复类型主要是单核苷酸型。.（3）沙芥幼苗差异基因表达谱研究表明，叶片在中度和重度干旱胁迫处理条件下，共获得差异表达基因1385个和2567个，其中上调777和1307，下调608和1260。而根为1494和2478，其中上调基因815和1412，下调基因679和1066。通过GO分析发现，受影响最大的细胞组分是cell part和cell，分子功能是binding，生物过程是Cellular process。与CK相比，中度干旱胁迫下叶片和根系有91条Pathway受到影响，其中显著富集的Pathway有14和17条；重度胁迫下叶片和根系中有105和100条Pathway受到影响，其中显著富集有25和23条。.（4）沙芥叶片抗坏血酸生物合成的主要途径为半乳糖途径。光合作用相关的Pathway包括了光合作用-天线蛋白、光合作用、光合固碳，且存在C4循环途径；在中度干旱胁迫下，沙芥叶片主要受抑制的是光合作用过程；而在重度胁迫下，光合-天线蛋白、光合作用途径均受到较严重的抑制，仅在C4循环途径中的部分位点基因上调。活性氧物质相关差异表达基因GO包括了活性氧物质、H202代谢及相关的生物过程和对活性氧、H202的响应相关过程。