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小黑杨根系响应铵态氮的转录组学研究

赵汉丞  
【摘要】:氮素营养是植物生命活动所必需的物质基础之一,不同形态和浓度的氮素对林木的营养效能不同。铵态氮是土壤中主要的无机氮素之一,不同浓度铵态氮会引起植物根部生长形态和生理的变化,但调控上述变化的分子机理尚不清楚。本试验采用水培法研究小黑杨在高低浓度铵态氮下根、茎和叶的生长形态和表型的变化;植株体内铵态氮和氨基酸含量的变化;qRT-PCR的方法分析部分氮素同化相关基因的表达变化;以小黑杨生长形态、生理和转录水平变化为依据,明确研究取样时间点,进行RNA-Seq分析。结果表明:(1)与3.0 mM相比,0.3 mM铵态氮能促进小黑杨根系生长,并在14 d达到差异显著,且干重更重;植物体内的铵态氮和游离氨基酸含量在2h开始产生差异变化。(2)铵态氮处理下,GOGAT/GS酶活发现,GOGAT酶活30 min开始升高但差异不显著。在铵态氮处理下,与氮同化相关的基因家族成员,如GS1.2和GS2在0.5 h之内表达量显著上升;在0-24 h内,AlaAT3和AlaAT4表达量呈现先下降后上升的现象;其余家族基因成员表达量出现不同的波动情况。(3)对3.0 mM和0.3 mM铵态氮下小黑杨0-120 min根系的转录组数据分析发现,不同超聚类基因GO富集中蛋白氨基酸磷酸化(Protein amino acid phosphorylation)条目在低浓度铵态氮30-120 min富集,在高浓度铵态氮中仅在30 min富集;对超家族聚类中初级代谢相关生物学过程富集发现,高低浓度铵态氮处理条件下主要的碳水化合物代谢(Major CHO metabolism)、细胞壁(Cell wall)、DNA合成与染色体结构(DNA.synthesis/chromatin structure)和发育(Development)等相关生物学过程的富集时间点存在差异;对不同的超聚类中转录因子种类及数量分析发现,MYB、GRAS和bHLH等转录因子在同一时间点的相对丰度差距较大。(4)采用WGCNA方法分析发现,模块内基因的生物学过程分类比例中RNA转录调控在大多数模块中占比最高:低浓度铵和高浓度铵中TCA、脂质代谢、运输和氮代谢等过程富集存在差异。(5)对WGCNA特征性模块的基因和转录因子构建共表达网络图,结果发现0.3 mM铵态氮处理下30 min时,WRKY转录因子家族成员WRKY41基因具有高度连通性。3.0 mM铵态氮处理下120 min时发现一个NAC转录因子家族成员ANA C083具有最高的连通性。这些结果为揭示杨树高亲和与低亲和铵信号响应差异奠定了重要基础,同时也为进一步采用基因工程手段,提高杨树对铵的吸收,提供了候选基因。


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