外源物质对干旱胁迫下桔梗种子萌发的生理生化影响及分子机制研究

Platycodon grandiflorus (Jacq.) A. DC is a precious medicinal and food plant. The limitation of plant growth by drought has become a common problem in agricultural cultivation at home and abroad. Seed germination is the first stage of plant growth, the lack of water can cause the phenomenon such as the extension of germination time, the decrease of seedling emergence rate and the slow growth of seedling. Therefore, improving drought resistance is significant for Platycodon grandiflorum planting in arid regions. The changement of seeds treated by exogenous substance on morphological，physiological and biochemical indexes ,and endogenous hormones is detected. Gene expression profile and gene functions are evaluated by transcriptome analysis and gene overexpression and silence. Transcriptome analysis will provide bioinformatics data, theoretical data for the molecular mechanism of drought resistance of seed after treating with exogenous substances, and provide theoretical guidance and useful genetic resources for drought resistance seed cultivation and improvement.

桔梗是一种药食兼用资源植物，但干旱限制植物生长已成为国内外农业栽培中普遍存在的问题，种子萌发是植物整个生育期的第一阶段，水分缺乏会造成萌发时间延长，出苗率下降，幼苗生长缓慢等不良现象。因此提高桔梗种子萌发期及幼苗期的抗旱特性，对于在干旱地区桔梗的种植具有重要意义。本项目拟对干旱胁迫下桔梗种子进行外源物质处理，研究桔梗种子的形态特征、生理生化以及内源激素的变化；通过转录组学测序方法，探讨桔梗种子在外源物质处理前后基因表达的差异，进而通过基因过量表达和沉默验证桔梗种子中抗干旱胁迫基因的功能，筛选抗干旱胁迫关键基因。转录组测序结果的分析、归纳与关键基因功能的验证，将大大丰富该物种的生物信息学资料，为揭示外源物质处理后桔梗种子抗干旱胁迫的分子机制提供理论数据，并可为抗干旱胁迫桔梗种子的培育或改良提供理论指导和有益基因资源。

桔梗是一种药食兼用资源植物，水分缺乏会造成种子萌发时间延长、出苗率下降、幼苗生长缓慢等不良现象。因此提高桔梗种子萌发期及幼苗期的抗旱特性，对于在干旱地区桔梗的种植具有重要意义。本项目以PEG6000模拟干旱胁迫，外源添加水杨酸、氯化钙对桔梗种子和幼苗进行处理，检测了种子萌发特性（发芽率、发芽势、发芽指数、根长、苗长、鲜重）和幼苗的生理生化指标（抗氧化保护酶活性、渗透调节物质、植物内源激素）的变化，结果表明干旱胁迫下，外源添加适量水杨酸或氯化钙可提高桔梗种子和幼苗的抗干旱胁迫能力。对干旱胁迫下桔梗叶片进行了转录组分析，转录组数据经 GO 分类分析，涉及生物过程的 DEGs 主要聚集于单生物体过程、代谢过程、细胞过程；细胞、细胞组分和细胞膜为细胞组件类别的主要组成部分；参与分子功能的 DEGs 则主要分布在催化活性和结合蛋白类别。KEGG 途径富集分析表明，DEGs主要集中在代谢途径、次级代谢产物合成、植物激素信号转导、苯丙烷类生物合成。差异表达较多的转录因子类型主要是ERF、C2H2、WRKY、 bHLH、 MYB、MYB-related、NAC、GRAS、BZIP和GATA。通过实时荧光定量PCR方法对关键基因的功能进行了验证，对桔梗PgWRKY31基因克隆并鉴定，结果表明，干旱胁迫下，水杨酸、氯化钙主要通过调控脯氨酸、植物激素、抗氧化酶代谢相关基因以及WRKY、MYB、ERF、NAC转录因子等相关基因的表达提高桔梗幼苗的抗干旱胁迫能力。本项目明确了外源添加水杨酸或氯化钙可提高桔梗种子萌发和幼苗的抗干旱胁迫能力，筛选出部分应答干旱胁迫的关键基因，为进一步阐明桔梗应答干旱胁迫的分子机制提供理论依据，为桔梗优良种质资源选育工作奠定基础。