红树植物秋茄在不同纬度下的转录组响应研究

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红树植物广泛分布于热带、亚热带的河口及潮间带地区,占据着独特的生态位。红树植物长期受到潮间带环境高温、高盐、潮水淹浸以及强紫外辐射的影响,因此演化出了一套独特的适应机制,包括胎生繁殖、次生代谢产物丰富、具有发达可通气的根系结构等等。红树特殊的生长环境以及独特的适应机制使其在滨海湿地生态系统中发挥了防风消浪、促淤造陆、保护堤岸等重要的生态功能,因此红树植物被广泛引种至其自然分布区以北的地区,但是人工引种效果并不理想。目前,移植引种过程对于红树植物在分子水平产生哪些影响尚不清楚,同时人工造林的种源选择也缺乏分子水平的理论基础。为探究跨纬度移植对红树植物所产生的影响,我们选择了中国本土最为耐寒的红树物种——秋茄(Kandeliaobovata)作为研究对象,对其福建云霄种源在其原生地(福建云霄)、原生地以北(浙江乐清)和原生地以南(广东雷州)生长的个体进行转录组测序和比较转录组分析,通过差异表达基因了解受到移植影响的生物功能。另外,我们通过两个秋茄种源(福建云霄种源和广东雷州种源)的相互移植实验,探究秋茄在转录组水平是否存在局域适应,探究秋茄在原生地和非原生地的生长状态以及代谢水平是否存在差异。本文主要结果如下:(1)对福建云霄秋茄种源在原生地、向高纬度移植和向低纬度移植的个体进行比较转录组分析,2671个基因在种植在高纬度地区后相较于原生地发生差异表达,667个基因在移植至低纬度地区后发生差异表达。通路富集结果显示这些基因参与了苯丙素生物合成、类黄酮生物合成、植物激素信号传导、植物昼夜节律以及植物病原体互作过程。(2)对移植后产生的差异基因所参与的通路进行进一步分析发现,移植后的秋茄在次生代谢产物合成相关的基因表达发生下调。高纬度移植的个体受到的影响更为严重,与植物免疫相关的植物病原体通路的基因出现下调,同时脱落酸代谢和信号传导过程的基因上调表达。低纬度移植的个体在脱落酸代谢和次生代谢产物合成通路中的基因同样发生下调表达。结果显示移植后的秋茄可能对病原体更为敏感,更易受到病原体侵扰;移植后的秋茄植株可能对脱落酸更为敏感,从而可能导致植物的生长受到抑制。(3)对不同纬度移植所产生的差异基因进行转录因子分析,其中266个转录因子在高纬度移植组中差异表达,74个转录因子在低纬度移植组中差异表达。这些转录因子参与调控植物次生代谢、昼夜节律、免疫防御以及开花过程。这些转录因子的差异表达可能与纬度差异所带来的日照时长有关,并可能造成了秋茄开花时间的差异。(4)在对两个秋茄种群的相互移植实验中,我们探究秋茄的基因在原生地和非原生地是否存在表达差异,一共筛选出了 943个受到遗传与环境交互作用(G×E)的基因。这些基因中有783个在原生地表现出比非原生地更高的表达水平,有160个在原生地表现出比非原生地更低的表达水平。这些基因参与了秋茄的碳水化合物代谢、次生代谢以及植物激素传导过程。我们推测秋茄在原生地的基础代谢以及次生代谢水平均高于非原生地,使得在原生地生长的秋茄个体能更好的适应环境并抵御生物和非生物胁迫。本研究对秋茄不同纬度移植所产生的差异基因进行分析,了解了秋茄对于不同纬度温度差异的响应机制,以及移植过程对秋茄在转录组水平的影响。为红树植物向高纬度地区引种研究在分子水平提供了理论基础,同时也为如何提高引种存活率提供了参考。本文为秋茄的局域适应研究提供了转录组水平的证据,为今后红树植物的生态学研究提供了新的数据信息。
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