入侵植物加拿大一枝黄花根部生理代谢特征研究

【摘要】：加拿大一枝黄花(Solidago canadensis L.)是一种原产于北美的菊科一枝黄花属多倍体复合体草本植物。由于其本身具有的多种繁殖方式、抗逆性强、强烈的化感作用等特性,以及外部环境和人类活动等影响,加拿大一枝黄花现已成功入侵包括我国在内的亚洲、欧洲和澳洲等地,成为一种世界性的入侵杂草,并对入侵地生态环境造成破坏。不同倍性的加拿大一枝黄花在表型和入侵性等方面都表现出明显差异,而本文以六倍体(入侵性强)和二倍体(黄莺花,栽培)加拿大一枝黄花根部为研究对象进行生理代谢研究,将为理解不同倍性加拿大一枝黄花生理代谢机制及入侵能力差异提供依据。本文的实验材料为取自湖北武汉的六倍体和取自云南昆明的二倍体加拿大一枝黄花根部,使用LC-MS对根部样品进行代谢组分析,并使用PCA和PLS-DA鉴定两者代谢物差异,筛选出了大量在六倍体和二倍体加拿大一枝黄花根部中差异表达的代谢物及其相关代谢通路,并利用相关网络对差异表达的代谢物和代谢通路进行了KEGG通路富集分析。在标准信息分析基础上,还将获得的代谢物及代谢通路富集结果进行联合分析,以便从整体上获得加拿大一枝黄花根中代谢组的数据。主要研究结果如下:在LC-MS的正离子模式下,在加拿大一枝黄花根中共鉴定出总物质15800种,在负离子模式下共鉴定出总物质6658种。以二倍体作为参照,对六倍体加拿大一枝黄花的代谢物进行筛选分析,使用PCA和PLS-DA鉴定两者差异,以VIP≥1、fold change≥1.2或者≤0.8333和q值0.05为筛选条件,在LC-MS的正离子模式下获得差异物质5149种(其中上调2829种,下调2320种),在LC-MS的负离子模式下获得差异物质2294种(其中上调1191种,下调1103种)。将获得的全部差异物质进行KEGG通路分析,并对被注释上的物质进行去除重复项等数据筛选,在LC-MS的正离子模式下,最终鉴定到的差异代谢物为2093种(其中上调1243种,下调850种)。利用MBRole2.0网站对全部2093种差异代谢物进行分类注释,其中460种差异代谢物注释到了对应的化学物质分类,包括6类物质,分别是萜类化合物、苯丙酸类和相关化合物、生物碱、聚酮化合物、生物碱以外的氨基酸衍生物和色素(除色素外,其他物质均被报道具有抗氧化性、自由基清除能力或具有化感作用)。根据KEGG注释,对被注释到的差异物质及其参与的代谢通路进行富集分析,一共富集到了108个差异代谢通路,以p值0.05为标准,筛选出了15个差异显著的代谢通路,分别是二萜生物合成、花生四烯酸代谢、单萜类生物合成、异黄酮生物合成、次生代谢物的生物合成、倍半萜类化合物和三萜类化合物的生物合成、柠檬烯和蒎烯降解、亚油酸代谢、类黄酮生物合成、苯丙烷类生物合成、α-亚麻酸代谢、芪类、二苯基庚烷和姜酚生物合成、黄酮和黄酮醇的生物合成、泛醌和其他萜类化合物-醌生物合成、植物激素信号转导。通过对其中的萜类物质相关合成途径、苯丙烷类生物合成途径和类黄酮生物合成途径的分析,发现加拿大一枝黄花通过对以上途径的广泛调控,增加代谢物中具有抗氧化活性、自由基清除活性或化感活性的代谢物的积累量,从而提高自身防御、抗逆能力,提高入侵性。对六倍体加拿大一枝黄花在盐、热胁迫下的生理变化进行研究,发现盐胁迫下加拿大一枝黄花根部的CAT、SOD、POD在初期活性下降,而随着盐胁迫时间的增长,MDA含量升高至一定阈值,引起根部细胞防御机制的响应。通过酶系统和非酶系统的调控,引起CAT、POD活性增强和抗逆蛋白含量增加,清除机体积累的负面效应,抵御外来侵害。SOD由于MDA和蛋白等非酶系统的协同作用,活性一直下降。由此我们可以推测,六倍体加拿大一枝黄花根部细胞应对本实验所施加的盐胁迫时CAT、POD和SOD不能完全协调一致的发挥作用,其主要发挥作用的酶是CAT和POD,除此之外MDA等非酶系统也参与防御,而六倍体加拿大一枝黄花根部对42℃热胁迫具有一定适应性,在短时间内生理反应并不明显,且在该过程中可能存在与胁迫相关的蛋白的降解。