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基于转录组学和代谢组学的褪黑素缓解紫苏Cd胁迫
机制研究
中文摘要
镉(Cd)是一种普遍存在的剧毒重金属,是植物的非必需元素,严重危害农业
生产和人体健康。紫苏(Perillafrutescens)作为一种药食两用的植物,在Cd污染
土壤的修复方面具有巨大潜力,被称为重金属超积累植物。褪黑素(MT)作为一
种植物生长调节剂,在植物中参与缓解Cd毒性,但褪黑素缓解紫苏Cd胁迫的
分子机制尚不清楚。本文以紫苏为实验材料,研究在Cd胁迫下施加外源褪黑素
对紫苏幼苗表型和生理指标的影响;采用RNA-Seq转录组测序技术和LC-MS/MS
代谢组学技术,研究在Cd胁迫下施加外源褪黑素对紫苏幼苗基因表达和代谢物
合成的影响,筛选褪黑素缓解紫苏Cd胁迫的相关基因和代谢物,揭示褪黑素缓
解紫苏Cd胁迫的分子机制。获得的主要结果如下:
1.与对照组相比,Cd胁迫组紫苏幼苗矮化,叶片萎蔫发黄。施加外源褪黑
素增加了Cd胁迫下紫苏幼苗的生物量、叶绿素含量、气孔开度并促进侧根生长,
显著降低Cd胁迫下紫苏幼苗叶片中丙二醛和HO含量,增强SOD、CAT、POD
22
抗氧化酶活性及总酚、总黄酮、花青素等非酶类抗氧化物质含量,表明施加褪黑
素可清除Cd胁迫下紫苏幼苗叶片中过量的ROS,减轻膜脂过氧化程度,保护细
胞膜完整性并增强紫苏抗氧化能力,促进植物光合作用,缓解Cd胁迫对紫苏幼
苗生长发育的影响,进而提高紫苏对Cd的耐受性。其中,25μM褪黑素缓解紫
苏Cd胁迫效果更佳。
2.转录组分析表明,与Cd组相比,Cd-MT组差异表达基因主要富集于苯丙
烷生物合成通路、光合作用-天线蛋白通路以及光合作用通路。在苯丙烷生物合
成通路中相关基因(HCT、CAD、POD和FLS)上调表达,其可促进木质素和
黄酮醇的合成,提高细胞壁对重金属离子的结合效率,并通过非酶抗氧化系统清
除过量的ROS,从而增强紫苏对Cd胁迫的耐受。在光合作用-天线蛋白通路中,
I
与光系统I相关的单体天线蛋白基因HLca1、HLca2、HLca3和HLca4以及与光
系统II相关的单体天线蛋白基因HLcb1、HLcb2、HLcb3和HLcb5都有不同程度
的上调表达。在光合作用通路中,与光系统I相关的基因PsaF、PsaH、PsaN和
PsaO以及与光系统II相关的基因PsbQ和Psb27也均有不同程度的上调表达。
因此,褪黑素通过诱导上述光合相关基因的表达,以减弱Cd胁迫对紫苏幼苗叶
片光合系统的影响,从而促进光合作用,提高生长量。
3.广泛靶向代谢组学分析显示,与Cd组相比,Cd-MT组有257种显著差异
代谢物,173种代谢物显著积累,84种代谢物减少,包括54种黄酮类化合物,
37种酚酸,16种氨基酸及其衍生物,15种核苷酸及其衍生物等。差异代谢物的
KEGG通路富集显示,其主要富集的代谢通路有苯丙烷生物合成、黄酮生物合成
等。
4.转录组学和代谢组学联合分析表明苯丙烷生物合成是褪黑素缓解紫苏Cd
胁迫的关键途径之一。Cd胁迫下,外施褪黑素上调苯丙烷生物合成途径HCT、
CAD、POD和FLS基因的表达,显著提高苯丙烷生物合成途径中木质素和黄酮
醇的水平,从而降低ROS的积累。
2+
总体而言,褪黑素通过增强酶类和非酶类抗氧化系统、Cd固定以及光合作
用缓解紫苏幼苗的Cd胁迫。
关键词:紫苏;镉胁迫;褪黑素;转录组;代谢组
II
StudyonthemechanismofmelatoninalleviatingCdstress
inPerillafrutescensbasedontranscriptomicsand
metabolomics
Abstract
Cadmiu
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