摘要: 干旱胁迫作为干旱区不可避免的因素，是影响植物生产力最严重的环境胁迫之一。它的累积性和多维性严重影响植物的形态、生理、生化和分子属性，对光合能力产生不利影响。植物在应对缺水的过程中，进化出各种复杂的生理生化和分子反应等抗性和适应机制... 展开 干旱胁迫作为干旱区不可避免的因素，是影响植物生产力最严重的环境胁迫之一。它的累积性和多维性严重影响植物的形态、生理、生化和分子属性，对光合能力产生不利影响。植物在应对缺水的过程中，进化出各种复杂的生理生化和分子反应等抗性和适应机制，这些机制在不同物种水平上存在差异且其相互作用错综复杂。因此，研究植物响应干旱胁迫的生理代谢及分子机制，挖掘耐旱调控的功能基因并明确其作用机理，筛选和选育耐旱性强的植物种质资源对于我国大面积的旱地利用尤其是提高植物在荒漠生态系统的存活率具有重要意义。 梭梭(Haloxylonammodendron)和白梭梭(Haloxylonpersicum)作为典型的干旱区荒漠植物，表现出很强的耐旱性和环境适应性，是研究耐旱分子生化机制的理想模式植物。迄今为止，自然环境下生长的梭梭和白梭梭的全基因组测序还未完成,其响应干旱环境的转录调控网络尚不清楚。为揭示两种植物在生理、转录以及代谢水平上对干旱环境的响应机制，本研究以梭梭和白梭梭作为研究对象，明确其在干旱胁迫下的生理生化响应规律，并基于单分子实时(SMRT)和IlluminaRNA测序以及代谢组学技术探索其响应干旱胁迫的分子机制。主要研究结果如下: (1)本研究选取的样带土壤含水量和土壤含盐量符合湿润低盐和干旱低盐的土壤生境。其中梭梭湿润低盐生境的土壤含水量为12.88％,土壤含盐量为1.91g/kg;干旱低盐生境的土壤含水量为3.80％,上壤含盐量为1.82g/kg。白梭梭湿润低盐生境的土壤含水量为3.46％,土壤含盐量为1.97g/kg;干旱低盐生境的土壤含水量为2.16％,土壤含盐量为1.84g/kg。长期干旱环境下，梭梭表现出较高的土壤养分利用率和低生长性，而白梭梭的表现与之相反。梭梭发达的贮水组织和导管孔径、白梭梭较厚的角质层以及两者中的含晶细胞的存在都是其对干旱荒漠环境的积极适应性。干旱显著降低了梭梭和白梭梭中有机渗透调剂物质(可溶性糖和脯氨酸)的含量，而主要通过积累无机渗透离子(梭梭:Ca2+和Cl-;白梭梭:Na+和K+)来调节细胞渗透压，从而减少干旱胁迫的损伤。虽然梭梭的光合作用(Pn、gs、Ci和Tr均显著降低)和白梭梭的Ci受到干旱环境的显著抑制，但两种物种都能通过适时调整qP和NPQ在一定程度上避免过剩光能抑制光合机构活性，从而减弱对光系统的破坏和损伤。梭梭和白梭梭均表现出较低的膜脂过氧化(MDA)以及一定程度的ROS(H2O2)累积。过氧化物酶(POD)在梭梭的抗氧化机制中发挥主要作用，而白梭梭的抗氧酶（POD、SOD和CAT）在抗氧化防御中表现出较低的活性。此外，梭梭通过积累内源激素（ABA、IAA和GA3）含量来调控自身平衡，而白梭梭对干旱胁迫表现更为敏感，通过降低自身代谢消耗以减弱促进自身生长的激素合成以响应干旱胁迫。 （2）通过对梭梭和白梭梭进行单分子实时（SMRT）和IlluminaRNA测序，分别在梭梭和白梭梭鉴定出20,246,576和8，908，053条subreads,435,938和210,334条环型一致序列（CCSreads）,9794个和7330个简单重复序列（SSR）,838个和71个非编码RNA（LncRNAs）,并分别成功收集了15,238、10,135个unigenes。干旱胁迫下，梭梭和白梭梭分别鉴定出11,803（5866个上调,5937个下调）和15,217个（8383个上调，6834个下调）差异表达基因（DEGs）。在干旱胁迫信号感知和传递相关的信号转导通路中，如Ca2+信号通路、ABA信号通路和MAPK信号级联反应中梭梭和白梭梭分别共有319和415个基因存在差异表达。此外，梭梭来自41个不同家族的217个转录因子和白梭梭来自50个不同家族的398个转录因子,如包括FAR1、AP2/ERF、C2H2、bHLH、MYB、C2C2和WRKY等多个转录因子家族成员在干旱胁迫中显著上调。生物信息学分析表明，在干旱胁迫下，活性氧平衡、功能蛋白、木质素生物合成和糖代谢途径相关基因的表达模式发生了改变。 （3）通过对梭梭和白梭梭的非靶向代谢组学（LC-MS/MS）分析，干旱胁迫下，梭梭在正负离子模式下分别鉴定出296种（183种上调，113种下调）和252种（119种上调，133种下调）差异表达代谢物（DEMs）;白梭梭在正负离子模式下分别鉴定出452种（254种上调，198种下调）和354种（173种上调，181种下调）DEMs。梭梭通过增加有机氮化合物（组胺）和木脂素、新木脂素及相关化合物（刺五加苷E）含量以及降低生物碱及其衍生物（葫芦巴碱、6-乙酰吗啡和血根碱）类代谢物的含量来响应干旱胁迫;而白梭梭则通过增加有机酸及其衍生物（4-羟基-L-谷氨酸、4-乙酰氨基丁酸、胱氨酰甘氨酸等）类代谢物的含量和降低木脂素、新木脂素及相关化合物（络石苷）类代谢物含量来适应干旱胁迫。干旱胁迫下，梭梭比较组（LSvs.HS）之间和白梭梭比较组（LBvs.HB）之间的DEMs主要富集到代谢途径、次生代谢物的生物合成、糖代谢、碳代谢以及各种氨基酸代谢等途径。其中，LSvs.HS间的DEMs显著富集（P＜0.05）的代谢通路是“类黄酮生物合成（主要DEMs为橙皮素、二氢山奈酚、高良姜素等）”和“不饱和脂肪酸的生物合成（参与的DEMs为木蜡酸、芥酸、山嵛酸和花生酸）”。LBvs.HB之间的DEMs显著富集（P＜0.05）的代谢通路是“托烷、哌啶和吡啶生物碱生物合成（富集的DEMs有哌可酸、羽扇豆宁、千里光宁、托品和L-苯丙氨酸）”和“次生代谢物的生物合成(主要富集的DEMs为木犀草素、咖啡因、松柏醇、D-核酮糖1,5-二磷酸等)”。干旱胁迫显著促进了梭梭和白梭梭中脂类降解代谢，显著增加了梭梭糖代谢、氨基酸代谢和核苷酸代谢物的生物合成代谢以及白梭梭柠檬酸循环、氨基酸生物合成和核苷酸代谢物的生物合成代谢。梭梭和白梭梭通过调节关键代谢途径和代谢物的合成代谢，提高其渗透调节能力、ROS解毒能力以及细胞膜稳定性。 (4)转录组和代谢组联合分析发现，梭梭和白梭梭中的DEGs和DEMs之间以极显著正相关为主(|Corr|＞0.9,P＜0.001)。其中，梭梭在正负离子模式下分别有30个DEMs与61个DEGs以正相关为主;白梭梭在正离子模式下有39个DEMs与81个DEGs以正相关为主，负离子模式下则有33个DEMs与81个DEGs以正相关为主。将DEGs和DEMs对KEGGpathway数据库映射分析表明，干旱胁迫主要影响梭梭的各种糖代谢、氨基酸代谢、类黄酮生物合成、苯丙烷生物合成和植物激素信号转导等，而白梭梭主要受到影响的是次生代谢物的生物合成、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、苯丙烷生物合成以及氨酰tRNA生物合成等。进一步分析发现，干旱胁迫下，上游转录调控层面的基因表达量增加，如调控梭梭和白梭梭氨基酸生物合成的基因，大多处于上调表达，利于下游L-组氨酸和L-苯丙氨酸等代谢物的合成。此外，还从生理和转录组水平分析了两种物种生理变化和调控基因的表达变化，结果表明大部分生理变化得到了转录组学的有力支持。然而，事实上，这些转录本并不总是与最终产物蛋白一致。这种差异可能是由于受翻译后调节影响的代谢物的积累，或参与该途径调节的其他未知基因。 本研究初步探明了强耐旱梭梭和白梭梭响应干旱的形态、生理及分子适应机制，鉴定了其响应干旱胁迫的关键代谢通路及关键胁迫响应基因和代谢物，有关以上候选基因和代谢物在提高梭梭和白梭梭耐旱性中的作用机制还有待进一步研究。 收起