低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究.pdf

第 卷第期东 北 师 大 学 报(自 然 科 学 版)V o l N o 年月J o u r n a l o fN o r t h e a s tN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u n e 文章编号 ()D O I /j c n k i d s l k x b 收稿日期 基金项目国家自然科学基金资助项目();吉林省自然科学基金资助项目(J C);长春师范大学自然科学基金资助项目()作者简介李明霞(),女,博士,讲师,主要从事大豆逆境生理生态研究;通信作者:石连旋(),男,博士,教授,主要从事大豆生理生态研究低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究李明霞,周际,胡勇军,韩德复,郭继勋,李淑英,张涛,石连旋(长春师范大学生命科学学院,吉林 长春 ;自然资源部国土整治中心,北京 ;东北师范大学生命科学学院,吉林 长春 ;内蒙古赤峰市敖汉旗林业和草原局,内蒙古 赤峰 )摘要以栽培大豆和野大豆幼苗为实验材料,人工模拟低氮胁迫,采用转录组测序技术(R NA s e q)测试分析了胁迫处理下栽培大豆和野大豆幼苗在转录水平发生的变化,揭示了野大豆抵御低氮胁迫的分子机制结果表明:野大豆能够通过促进根系生长维持较高的根冠比、增大根系与营养物质的接触面积吸收更多的氮抵御低氮胁迫低氮胁迫下野大豆和栽培大豆幼苗叶片中分别有 个和 个差异表达基因,根系中分别有 个和 个差异表达基因野大豆通过调控N R T、N R T 和AMT蛋白家族相关基因的表达来抵御低氮胁迫叶片中A P/E R F E R F、C H、C H、G R A S、MY B、N A C、T I F Y和WR K Y转 录 因 子,根 系 中C H、G R A S、MY B、N A C、T I F Y和WR K Y转录因子在野大豆抵御低氮胁迫的过程中起调控作用野大豆抵御低氮胁迫的关键是增强叶片中的半胱氨酸、蛋氨酸代谢和谷胱甘肽代谢,增强根系中的半胱氨酸、蛋氨酸、氰基氨酸代谢,N 聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢及糖酵解 关键词栽培大豆;野大豆;低氮胁迫;转录组学 中图分类号Q z 文献标志码A大豆是我国重要的经济作物和油料作物,为人类生活提供了 的脂肪和 的蛋白质野大豆是栽培大豆的近缘野生种,我国野大豆分布范围广泛且类型最多,目前我国的种质库收集、保存了 多份野大豆种质资源,占世界总资源的 左右野大豆具有蛋白质含量高、产量性状优越等诸多优点;同时,野大豆在不良环境胁迫条件下进化出很强的抗性,如耐盐碱、耐贫瘠、耐干旱、抗虫和抗病等野大豆与栽培大豆之间不存在生殖隔离,野大豆的优良性状为栽培大豆的育种提供了重要的基础,是提高栽培大豆抗逆能力的非常宝贵的野生种质资源 氮在植物的生命活动中占据首要地位,是农作物生长、发育和生产所必需的生命元素氮素在农业生产中直接或间接地影响农作物产量,对作物最终产量的贡献为 大豆是需氮量很高的植物,虽然与根瘤菌共生,但固定的氮仅占大豆一生需氮量的 ,不能满足其对氮素的需要低氮胁迫下,大豆幼苗叶片的光合速率比正常条件下降低了 在我国的农业生产中,氮肥施用量从 年的约 万t/a增加到了 年的约 万t/a,相比增加了 倍 农业生产中,施用过量的氮肥不但不能达到持续增产的效果,反而会导致作物氮肥效应报酬递减现象;此外,土壤中未被利用的氮肥还会造成严重环境污染问题 植物可以通过形态结构的可塑性和生理代谢的调控适应低氮胁迫植物能够通过增加根长、降低轴根第期李明霞,等:低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究数、增加轴根长、刺激侧根生长及扩大根冠比等抵御低氮胁迫 ;而生理代谢的调控主要集中于保持较高的氮吸收量、氮转运率和氮利用效率,尽量提高氮的吸收量并对其进行有效的分配,从而维持植物正常的生命活动 已有研究 证实,耐低氮型野大豆能够通过增加根长来增强氮素吸收量,维持更强的光合作用能力和矿物质营养平衡能力,同时叶片还可以通过增强能量代谢以及酚类代谢抵御低氮胁迫随着生命科学技术的快速发展,转录组测序技术(R N A s e q)广泛应用于植物抵御低氮胁迫的研究中,主要侧重于探究植物在转录水平对低氮胁迫的响应、挖掘耐低氮基因、明确耐低氮基因型植物的耐低氮分子机制以及分析基因在低氮胁迫下的功能等方面 基于R N A s e q技术,对野大豆和栽培大豆抵御低氮胁迫转录水平的比较研究,对进一步揭示野大豆抵御低氮胁迫的分子机制至关重要,尤其是在同一试验系统中本文以野大豆和栽培大豆为实验材料,以沙基培养植物幼苗,通过人工配制低氮营养液模拟低氮胁迫处理,测定并分析了野大豆与栽培大豆的生长参数及生物量;同时,采用R NA s e q技术测定了野大豆和栽培大豆幼苗在低氮胁迫下的基因表达量,对差异表达基因进行了G O富集分析、K E G G通路富集分析、氮吸收转运相关基因分析和转录因子分析,进一步对野大豆和栽培大豆进行了比较分析,以揭示野大豆适应低氮胁迫的分子机制研究将为野大豆的资源评价及栽培大豆育种提供理论依据,同时也为植物资源的评价研究提供了新思路和新方法研究材料与方法 实验材料及培养栽培大豆(品种:J i n o n g,GM)和野大豆(保存号码:H u i n a n ,G S)的种子,其中栽培大豆由吉林省农作物新品种引育中心提供采用沙基培养实验幼苗,实验期间温度为白天/夜间()/(),空气湿度约为 低氮胁迫处理设计胁迫处理为对照(C K)和低氮胁迫(L N)两组对照组在实验期间以倍H o a g l a n d营养液浇灌;低氮胁迫组胁迫液用倍H o a g l a n d营养液配制,其中C a(NO)和KNO浓度为原 来倍H o a g l a n d营养液中浓度的/,缺失的C a和K分别由相等浓度的C a C l HO和K C l补足 生长参数测定在胁迫处理之前及胁迫处理 d后,分别选取栽培大豆幼苗和野大豆幼苗各盆,对株高、根长,地上、地下部分鲜重,地上、地下部分干重等生长参数进行测定 转录组学测试与分析采用天根D P 多糖多酚植物总R NA提取试剂盒提取样品的总R NA;利用N a n o D r o p 超微量分光光度计(T h e r m oS c i e n t i f i c l n c,D E,U S A)测量R NA的浓度;利用A g i l e n tB i o a n a l y z e r 系统(A g i l e n tT e c h n o l o g i e s液相色谱仪,C A,U S A)的R NAN a n o 分析试剂盒评估R NA的完整性每个样品用g的R NA作为R NA样品制备的输入材料,生成测序文库,并将索引代码添加到每个样品的属性序列中不同文库按照目标下机数据量进行池化,基于边合成边测序(S e q u e n c i n gB yS y n t h e s i s,S B S)技术通过I l l u m i n a高通量测序平台对c D NA文库进行测序原始数据(R a wd a t a)在进一步的数据分析之前先进行过滤,得到纯化数据(C l e a nr e a d s),以确定这些数据(r e a d s)有足够高的质量,保证后续分析的准确性本研究使用W i l l i a m s 作为参考基因组,将纯化数据(C l e a nr e a d s)与参考基因组进行序列比对,得到比对数据(M a p p e dd a t a)基因表达量差异倍数取的对数用l o gFC表示,设置P 且|l o gFC|为阈值,满足此条件表示基因表达量存在显著差异 用G O和K E G G数据库对所得到的差异表达基因进行注释并进行显著性富集,其中,G O显著性富集分析是以词条(T e r m)为基本单位,K E G G显著性富集分析以代谢通路(P a t h w a y)为基本单位在P 时,使用B l a s t G O程序对差异表达基因(D E G s)进行G O分类利用K E G G数据库在线分析D E G s的通路;利用M a p m a n(版本 ;h t t p:m a p m a n g a b i p d o r g/w e b/g u e s t)进行D E G s通路分析,将D E G s映射到W i l l i a m s 参考基础组上随机选择 个低氮胁迫下差异表达基因进行实时荧光定量P C R验证 G YMA G WM A V 作为内参基因使用P r i m e rP r e m i e r 软件设计q R T P C R引物,运用T b t o o l s软件对引物的专一性进行检验具体引物信息见表东 北 师 大 学 报(自 然 科 学 版)第 卷表差异表达基因荧光定量P C R引物序列基因编码正向引物序列()反向引物序列()G l y m a G Wm a v T G T T C C A G T T AT G T G C GA T AG C T C A T C A C G G T T C T T A G TG l y m a G Wm a v G C C A GA TA C A GAA G C A C T TC G C AA G G T A G T T C G C A T AG l y m a G Wm a v T T G T T C T T G T T A G C A C T T C CG T C C T C T A C C A C C A T C A T TG l y m a G Wm a v T GAA G GA G G T G GAGA C T GT T G C G T T A T G GA G T GAA C AG l y m a G Wm a v A T GA GA C C A C C G C A C T ATC T T C C A C T T C A C C A C C AA TG l y m a G Wm a v G G T G G T G G T G T T G T T C T TA T T C A T T G C C T G C GA GA GG l y m a G Wm a v C T G GA TA C T C G T GA C AA C AG C C T GAA C A GAA GAA T A T G CG l y m a G Wm a v T G G TAA G C AA T A C T C G T C T AA G C G T T G G T T C A T C A T A T T CG l y m a G Wm a v T C T GA T G G C A C C T GAT GAG C A C AA C T T C A C T T GA C T GG l y m a G Wm a v T G C T A T T G C G G T T GA G T T AT GA GAAG T T G C T G GAA GA GG l y m a G Wm a v C A C C T C C AA C AA C A C C AAC T C A G C A G C AA G T C C A T TG l y m a G Wm a v C C A C C A G T C T C AA C A T C A TA C AA C C T C AA C AA G T C A C AG l y m a G Wm a v G G T GA T G T G T T GAA GA C T GAAG T AA C T T GAAT G T GA GA G GA GAA结果分析 生长变化与对照组相比,野大豆幼苗的株高、地上鲜重、地下鲜重、地上干重和地下干重在低氮胁迫下分别下降了 倍、倍、倍、倍、倍(P ),而根长却比对照实验组增加了 倍(P )栽培大豆幼苗的株高、根长、地上鲜重、地下鲜重、地上干重和地下干重均在低氮胁迫下显著下降,与对照组相比分别下降了 倍(P )、倍(P )、倍(P )、倍(P )、倍(P )和 倍(P )(见图)在对照组中,野大豆和栽培大豆幼苗的根冠比分别为 和 ;而在低氮胁迫下,根冠比分别为 和 表示P ,差异显著;表示P ,差异极显著 GM栽培大豆,G S野大豆 C K对照组,L N低氮胁迫组图低氮胁迫下野大豆和栽培大豆幼苗生长参数 转录组学变化 测序数据质量概况对 个样品进行了转录组分析,共获得纯化碱基的内存量为 G B,各样品纯化碱基的内存量均达到 G B,质量值(Q)的碱基百分比在 以上,C G碱基量所占的比例为 (见表)与参考基因组W i l l i a m s 进行序列的比对效率从 不等(见表)第期李明霞,等:低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究表测序数据概况样品编码纯化后的总碱数/个G C碱基占比/Q 碱基占比/总数据/个与参考基因组比对数据/个(占比)G S C K L ()G S C K L ()G S C K L ()G S C K R ()G S C K R ()G S C K R ()G S L N L ()G S L N L ()G S L N L ()G S L N R ()G S L N R ()G S L N R ()GM C K L ()GM C K L ()GM C K L ()GM C K R ()GM C K R ()GM C K R ()GM L N L ()GM L N L ()GM L N L ()GM L N R ()GM L N R ()GM L N R ()G S C K L野大豆叶片对照组,G S C K R野大豆根系对照组,G S L N L野大豆叶片低氮胁迫组,G S L N R野大豆根系低氮胁迫组,GM C K L栽培大豆叶片对照组,GM C K R栽培大豆根系对照组,GM L N L栽培大豆叶片低氮胁迫组,GM L N R栽培大豆根系低氮胁迫组,下同各样本的表达量用每千个碱基转录每百万映射读取的数(F r a g m e n t sP e rK i l o b a s eo fe x o nm o d e lp e rm i l l i o nm a p p e df r a g m e n t s,F P KM)表示,F P KM的密度分布对比图显示基因表达水平在 之间(见图 a)同时,对每组个生物学重复共 个样品进行了相关性分析,结果表明各个重复样本间的相关性都比较高,说明转录组数据可信度较高(见图 b)低氮胁迫下,野大豆幼苗叶片中有 个差异表达基因,其中 个上调、个下调;栽培大豆幼苗叶片有 个差异表达基因,其中 个上调、个下调野大豆幼苗根系中有 个差异表达基因,其中 个上调、个下调;栽培大豆幼苗根系有 个差异表达基因,其中 个上调、个下调结果显示,野大豆和栽培大豆对低氮胁迫的响应存在显著差异,野大豆根系中的差异基因数目大于叶片,而栽培大豆叶片中的差异基因数目大于根系(见图)差异表达基因的G O富集分析和K E G G通路富集分析野大豆叶片中有 个差异基因完成了G O数据库注释分析,其中生物学过程分支中与细胞过程()、代 谢 过 程()、单 一 生 物 过 程()、对 刺 激 的 反 应()和 生 物 调 节()等条目相关的基因数量分别为 ,个;细胞组分分支中与细胞()、细胞部分()、细胞器()、膜()和细胞器部分()等条目相关的基因数量分别为,个;分子功能分支中与结合()、催化活性()、核酸结合转录因子活性()和转运活性()等条目相关的基因数量分别为,个栽培大豆叶片中有 个差异基因完成注释,其中生物学过程分支中与细胞过程()、代谢过程()、单一生物过程()、对刺激的反应()和生物调节()等过程相关的基因数量较多,分别为 ,个;细胞组分分支中与细胞()、细胞部分()、细胞器()、膜()和细胞器部分()等相关的基因数量较多,分别为 ,个;分子功能分支中与结合()、催化活性()和核酸结合转录因子活性()相关的基因数量较多,分别为 ,个东 北 师 大 学 报(自 然 科 学 版)第 卷a 各样品F P KM密度分布对比图;b 样品表达量相关性热图 GM栽培大豆,G S野大豆图测序数据质量概况a 野大豆叶片对照组和低氮胁迫组;b 栽培大豆叶片对照组和低氮胁迫组;c 野大豆根系对照组和低氮胁迫组;d 栽培大豆根系对照组和低氮胁迫组图差异表达火山图野大豆根系中有 个差异基因完成了G O数据库注释分析,其中生物学过程分支中与细胞过程()、单 一 生 物 过 程()、代 谢 过 程()、对 刺 激 的 反 应()和 生 物 调 节()等过程相关的基因数量较多,分别为 ,个;细胞组分分支中与细胞()、细胞部分()、细胞器()、膜()和细胞器部分()等相关的基因数量较多,分别为 ,个;分子功能分支中与结合()、催化活性()和核酸结合转录因子活性()等条目等相关的基因数量较多,分别为 ,个栽培大豆根系中有 个 差 异 基 因 完 成 注 释,其 中 生 物 学 过 程 分 支 中 与 细 胞 过 程()、单 一 生 物 过 程第期李明霞,等:低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究()、代谢过程()、对刺激的反应()和生物调节()等过程相关的基因数量较多,分别为 ,个;细胞组分分支中与细胞()、细胞部分()、细胞器()、膜()和细胞器部分()等相关的基因数量较多,分别为 ,个;分子功能分支中与结合()、催化活性()和核酸结合转录因子活性()等条目等相关的基因数量较多,分别为 ,个低氮胁迫下野大豆幼苗叶片差异表达基因中有 个被富集到 个K E G G通路上(见图 a),其中谷胱甘肽代谢(k o )富集最显著,另外植物昼夜节律(k o )、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(k o )、过氧化物酶体(P e r o x i s o m ek o )、半胱氨酸和蛋氨酸代谢(k o )、植物激素信号转导(k o )、二萜类生物合成(k o )、类胡萝卜素的生物合成(k o )、氨基糖和核苷酸糖代谢(k o )、植物病原体相互作用(k o )和苯丙烷生物合成(k o )等代谢通路也显著富集低氮胁迫下栽培大豆幼苗叶片差异表达基因中共有 个被富集到 个K E G G通路,显著性q值最小的 个通路见图 b,其中植物病原体相互作用(k o )富集最显著,另外 亚麻酸代谢(k o )、氮代谢(k o )、脂 肪 酸 生 物 合 成(k o )、单 萜 类 生 物 合 成(k o )、异 黄 酮 的 生 物 合 成(k o )、黄 酮 和 黄 酮 醇 的 合 成(k o )、玉 米 素 的 生 物 合 成(k o )、二 萜 类 生 物 合 成(k o )、核黄素代谢(k o )、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(k o )、类胡萝卜素的生物合成(k o )、不饱和脂肪酸的生物合成(k o )、倍半萜和三萜生物合成(k o )、赖氨酸的生物合成(k o )和异喹啉生物碱的生物合成(k o )等代谢通路也显著富集a 野大豆叶片;b 栽培大豆叶片;c 野大豆根系;d 栽培大豆根系图低氮胁迫下差异表达基因K E G G富集图低氮胁迫下野大豆幼苗根系差异表达基因中共有 个被富集到 个K E G G通路上,显著性q值最 小 的 个 通 路 见 图 c,其 中 牛 磺 酸 和 低 牛 磺 酸 代 谢(k o )富 集 最 显 著,另 外 氮 代 谢(k o )、苯丙烷生物合成(k o )、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(k o )、类胡萝卜素的生物合成(k o )、植 物 病 原 体 相 互 作 用(k o )、氰 基 氨 酸 代 谢(k o )、淀 粉 和 蔗 糖 代 谢(k o )、光合作用天线蛋白(k o )、玉米素的生物合成(k o )、类黄酮生物合成(k o )、单萜类生物合成(k o )、倍半萜和三萜生物合成(k o )、异喹啉生物碱的生物合成(k o )和 亚麻酸代谢(k o )等代谢通路也显著富集低氮胁迫下栽培大豆幼苗根系差异表达基因中共有 个被富集到 个K E G G通路上,显著性q值最小的 个通路见图 d,其中氮代谢(k o )富集东 北 师 大 学 报(自 然 科 学 版)第 卷最显著,另外丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(k o )、植物病原体相互作用(k o )、牛磺酸和低牛磺酸代谢(k o )、氰基氨酸代谢(k o )、不饱和脂肪酸的生物合成(k o )、精氨酸生物合成(k o )、异 黄 酮 生 物 合 成(k o )、倍 半 萜 和 三 萜 类 生 物 合 成(k o )、组 氨 酸 代 谢(k o )、异喹啉生物碱生物合成(k o )、苯丙氨酸代谢(k o )、光合作用(k o )、缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸降解(k o )、生物素代谢(k o )和酪氨酸代谢(k o )等代谢通路也显著富集 氮吸收转运相关基因分析低氮胁迫下野大豆和栽培大豆幼苗叶片中,与氮吸收转运有关的基因表达发生了变化,但是未达到显著水平在野大豆和栽培大豆幼苗根系中检测到与N R T 和N R T 蛋白相关的基因均发生显著变化,见表在野大豆中有个N R T 蛋白家族基因上调;在栽培大豆中有个N R T 蛋白家族基因上调,但是上调程度小于野大豆 N R T 蛋白家族有个基因在野大豆和栽培大豆中都下调,尤其是栽培大豆中此外,还检测到铵态氮的NH特异转运蛋白AMT的表达达到显著水平,在野大豆中上调,而在栽培大豆中显著下调表野大豆和栽培大豆根系中氮吸收转运相关基因变化相关蛋白基因编码l o gFC野大豆根系低氮胁迫组栽培大豆根系低氮胁迫组N R T G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v N R T G l y m a G Wm a v AMTG l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v G l y m a G Wm a v 转录因子分析低氮胁迫下,野大豆叶片中有 个转录因子的表达量发生显著变化,这 个转录因子涉及 个家族,其中A P/E R F E R F家族有 个,b Z I P家族有个,C H 家族有个,C H家族有个,D B P家族有个,G R A S家族有个,MY B家族有个,NA C家族有个,P s e u d oA R R B家族有个,T I F Y家族有个,WR KY家族有个栽培大豆叶片中有 个转录因子的表达量发生显著变化,这 个转录因子涉及 个家族,其中A P/E R F E R F家族有 个,B A R F家族有个,b HLH家族有个,b Z I P家族有个,C C C O l i k e家族有个,C C D o f家族有个,C C GAT A家族有个,C H 家族有个,C H家族有个,GA R P G l i k e家族有个,G R A S家族有个,H S F家族有个,L O B家族有个,MA D S M I K C家族有个,MY B家族有 个,NA C家族有个,N F YA家族有个,S B P家族有个,T A Z家族有个,T I F Y家族有个,T R A F家族有个,WR KY家族有 个在野大豆和栽培大豆幼苗叶片中表达量都发生变化的转录因子有 个(见图 a),其中A P/E R F E R F家族有 个,C H 家族有个,C H家族有个,G R A S家族有个,MY B家族有个,NA C家族有个,T I F Y家族有个,WR KY家族有个低氮胁迫下,野大豆根系中有 个转录因子的表达量发生显著变化,这 个转录因子涉及 个家族,其中A P/E R F E R F家族有 个,AUX/I AA家族有个,b HLH家族有 个,b Z I P家族有个,C C D o f家族有个,C H 家族有个,C H家族有个,GA R P G l i k e家族有个,G R A S家族有个,H B HD Z I P家族有个,H B KNO X家族有个,H S F家族有个,L O B家族有个,MY B家族有 个,NA C家族有个,P L AT Z家族有个,P s e u d oA R R B家族有个,T A Z家族有个,T I F Y家族有个,T R A F家族有个,T r i h e l i x家族有个,WR KY家族有 个和z f HD家族有第期李明霞,等:低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较研究个在野大豆和栽培大豆幼苗叶片中都发生变化的转录因子有 个,其中C H 家族有个,G R A S家族有个,MY B家族有个,NA C家族有个,T I F Y家族有个和WR KY家族有 个(见图 b)a叶片,b根系图低氮胁迫下野大豆和栽培大豆共表达转录因子表达量热图 转录因子分析为了验证基于I l l u m i n a平台测序得到的转录组学数据的可靠性,随机选取了 个差异表达基因,利用q R T P C R验证转录组实验数据的准确性,结果表明 个基因的表达与I l l u m i n a平台测序获得的结果变化趋势大体相同,说明转录组测序数据准确可靠讨论氮素是限制植物各种生命活动和干物质积累的关键因子,氮缺乏会严重抑制植物的生长 相关研究 显示,低氮胁迫下野大豆和栽培大豆幼苗的株高、地上和地下鲜重以及地上和地下干重都受到显著抑制,且栽培大豆幼苗受到的伤害程度都显著大于野大豆幼苗,表明野大豆的耐低氮能力显著高于栽培大豆较高的氮素吸收效率和氮素利用效率是植物适应低氮环境的重要表现,耐低氮型植物可以通过增加根系长度,增大与营养物质的接触面积提高氮素吸收利用效率以抵御低氮胁迫本实验中,低氮胁迫下野大豆幼苗根长比对照组显著增加,表明野大豆幼苗可以通过增加根长来吸收更多的氮以抵御低氮胁迫;同时,低氮胁迫下野大豆幼苗与栽培大豆幼苗相比具有较高的根冠比,这是其抵御低氮胁迫的重要策略氮素的吸收和转运过程在植物遭受低氮胁迫时显得至关重要研究 表明,植物为了适应低氮胁迫进化出了高亲和运输系统与低亲和运输系统,这主要与N R T 和N R T 蛋白家族有关,并且在水稻中已经发现了相关的基因对野大豆根系中氮吸收转运相关基因的研究表明,与NO高亲和运输系统相关的两类家族蛋白N R T 和N R T 的基因表达上调 NH特异转运蛋白AMT主要用来调控转运NH,本文的研究也发现与AMT蛋白家族相关的基因在野大豆根系中表达上调;同时离子平衡研究发现,野大豆叶片和根系中的NO的含量相对稳定,表明野大豆可以通过调控与氮吸收和转运相关基因的表达来抵御低氮胁迫对低氮条件下根系生长受阻的玉米突变体和野生型进行的转录组测序结果表明,A P E R E B P转录因子在玉米根系生长调节中发挥着重要作用 野大豆叶片中A P/E R F E R F,C H,C H,G R A S,MY B,NA C,T I F Y和WR KY转录因子的表达量以及根系中C H,G R A S,MY B,NA C,T I F Y和WR KY转录因子的表达量均上调,而这些转录因子在提高野大豆耐低氮胁迫能力方面非常重要转录组学研究表明,野大豆叶片中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、植物激素信号转导、谷胱甘肽代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、N 聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢相关基因显著富集;根系中半胱氨酸和蛋氨酸代谢、氰基氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、脂肪酸生物合成、酪氨酸代谢、N 聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢、淀粉和蔗糖代谢、糖酵解以及碳代谢相关基因显东 北 师 大 学 报(自 然 科 学 版)第 卷著富集,显示出这些代谢在抵御低氮胁迫时的重要作用野大豆叶片中的半胱氨酸和蛋氨酸代谢、谷胱甘肽代谢,根系中的半胱氨酸和蛋氨酸代谢、氰基氨酸代谢、N 聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢以及糖酵解相关基因的表达量均上调,说明这些代谢过程在野大豆抵御低氮胁迫过程中起着非常关键的作用野大豆幼苗根系抵御低氮胁迫的关键代谢途径是苯丙氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、戊糖和葡萄糖醛酸酯相互转化、半乳糖代谢以及类黄酮生物合成;编码G l y m a G Wm a v,G l y m a G Wm a v,G l y m a G Wm a v 和G l y m a G Wm a v 的基因是抵御低氮的关键基因结论低氮胁迫下,野大豆幼苗和栽培大豆幼苗的株高、鲜重和干重都受到抑制,栽培大豆受到的抑制程度更大野大豆幼苗能够通过促进根系的生长维持较高的根冠比、增大根系与营养物质的接触面积吸收更多的氮抵御低氮胁迫转录组学研究表明,野大豆抵御低氮胁迫的重要机制是调控N R T,N R T 和AMT蛋白家族相关基因的表达野大豆叶片中的A P/E R F E R F,C H,C H,G R A S,MY B,NA C,T I F Y和WR KY转录因子,根系中的C H,G R A S,MY B,NA C,T I F Y和WR KY转录因子在抵御低氮胁迫过程中发挥重要作用野大豆抵御低氮胁迫的关键代谢途径是增强叶片中的半胱氨酸和蛋氨酸代谢以及谷胱甘肽代谢,增强根系中的半胱氨酸和蛋氨酸代谢、氰基氨酸代谢、N 聚糖生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢与糖酵解野大豆幼苗根系抵御低氮胁迫的关键代谢通路是苯丙氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、戊糖和葡萄糖醛酸酯相互转化、半乳糖代谢和类黄酮生物合成,共发现了个关键基因本文从转录水平揭示了野大豆幼苗耐低氮胁迫的机制,为改良、培育抗逆性强的栽培大豆奠定了重要的理论基础,同时也为优质野大豆资源的开发和利用提供了科学依据 参考文献L AM H M,XUX,L I UX,e t a l R e s e q u e n c i n go f w i l da n dc u l t i v a t e ds o y b e a ng e n o m e s i d e n t i f i e sp a t t e r n so f g e n e t i cd i v e r s i t ya n ds e l e c t i o nJ N a t u r eG e n e t i c s,:董英山中国野生大豆研究进展J吉林农业大学学报,():杨光宇,纪锋中国野生大豆(G l y c i n es o j a)蛋白质含量及其氨基酸组成的研究进展J大豆科学,():金晓飞,曹凤臣,徐丽娟,等浅谈利用野生大豆创制育种资源和新品种J东北农业科学,():朱文英,寿惠霞野生大豆种质资源在大豆育种中的利用J大豆通报,():G E Y,L IY,L V D K,e ta l A l k a l i n e s t r e s sr e s p o n s ei nG l y c i n e s o j al e a f i d e n t i f i e ss p e c i f i ct r a n s c r i p t i o nf a c t o r sa n dA B A m e d i a t e ds i g n a l i n gf a c t o r sJ F u n c t i o n a l a n dI n t e g r a t i v eG e n o m i c s,():李梁,黄剑华,陈志伟,等作物耐低氮的相关生物学研究进展J上海农业学报,():罗世武,杨军学,王勇,等低氮胁迫对不同谷子品种生长及产量的影响J江苏农业科学,():R O B I N S O NJM L e a f l e tp h o t o s y n t h e s i s r a t e a n d c a r b o nm e t a b o l i t e a c c u m u l a t i o np a t t e r n s i nn i t r o g e n l i m i t e d,v e g e t a t i v e s o y b e a np l a n t sJ P h o t o s y n t h e s i sR e s e a r c h,():王振录,侯淑涛,陈秀华氮肥的使用现状及提高氮肥利用率的措施J科技致富向导,:P E N GI,WANJZ,YUCZ N u t r i e n t l o s s e s i ns o i l so nL o e s sP l a t e a uJ P e d o p h e r e,():P O S TMAJA,D A THE A,L YN C H JP T h eo p t i m a ll a t e r a lr o o tb r a n c h i n gd e n s i t yf o rm a i z ed e p e n d so nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa v a i l a b i l i t yJ P l a n tP h y s i o l o g y,():S C HE I B L E W,L AU E R E R M,S C HU L Z EE,e t a l A c c u m u l a t i o no f n i t r a t e i nt h es h o o t a c t sa s as i g n a l t or e g u l a t e s h o o t r o o ta l l o c a t i o n i nt o b a c c oJ T h eP l a n t J o u r n a l,():李强,罗延宏,余东海,等低氮胁迫对耐低氮玉米品种苗期光合及叶绿素荧光特性的影响J植物营养与肥料学报,():荣楠,韩永亮,荣湘民,等油菜N O的吸收、分配及氮利用效率对低氮胁迫的响应J植物营养与肥料学报,():Z HA O ML,GUOR,L IM X P h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e t a b o l o m i c s r e v e a l t h et o l e r a n c em e c h a n i s mt o l o wn i t r o g e ni nG l y c i n e s o j al e a v e sJ P h y s i o l o g i aP l a n t a r u m,():T I WA R IJK,B U C K S E TH T,Z I N T A R,e ta l T r a n s c r i p t o m ea n a l y s i so fp o t a t os h o o t s,r o o t sa n ds t o l o n su n d e rn i t r o g e ns t r e s sJ S c i e n t i f i cR e p o r t s,():WAN G YJ,Z HAN G CJ,HA O Q N,e ta l E l u c i d a t i o no fm i R NA s m e d i a t e dr e s p o n s e st ol o wn i t r o g e ns t r e s sb yd e e ps e q u e n c i n go f t w os o y b e a ng e n o t y p e sJ P l o s O n e,():WAN GL,F E N GZ,WAN GX,e t a l D E G s e q:a nRp a c k a g e f o r i d e n t i f y i n gd i f f e r e n t i a l l ye x p r e s s e dg e n e s f r o mR NA S e qd a t a第期李明霞,等:低氮胁迫下栽培大豆和野大豆幼苗适应性转录组学比较