褪黑素对干旱胁迫下花椒影响的生理和转录组分析.pdf

西北林学院学报2 0 2 3,3 8(4):1-1 0J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-7 4 6 1.2 0 2 3.0 4.0 1褪黑素对干旱胁迫下花椒影响的生理和转录组分析 收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 9 修回日期:2 0 2 2-0 7-2 9 基金项目:教育部“2 4 5陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站运行费”。第一作者:谢 芳。研究方向:植物生理生态。E-m a i l:x i e f a n g n w a f u.e d u.c n*通信作者:张硕新,博士,教授,博士生导师。研究方向:森林生态、植物生理生态和景观生态。E-m a i l:s x z h a n g n w a f u.e d u.c n谢 芳1,任利明1,丁 飞2,张硕新1*(1.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨陵 7 1 2 1 0 0;2.聊城大学 生命学院,山东 聊城 2 5 2 0 0 0)摘 要:为了探究褪黑素(MT)对干旱胁迫下花椒的影响和调控机制,以花椒幼苗为试验材料,叶面喷施2 0 0 m o lL-1的褪黑素后进行干旱处理,在胁迫第1天和第7天测定光系统最大光化学效率(F v/F m)、光合电子传递速率(E T R)、活性氧(R O S)含量、丙二醛(MD A)含量、抗氧化酶活性和可溶性糖(S S)含量,并进行转录组分析。结果表明,MT处理的叶片表现出比未处理叶片更高的F v/F m、E T R、抗氧化酶活性、S S以及更低的R O S和MD A含量。京都基因与基因组百科全书(K E G G)富集的重要通路是淀粉与蔗糖代谢和植物激素信号转导。MT上调了淀粉与蔗糖代谢途径中与蔗糖磷酸合酶相关基因的表达,催化蔗糖合成,从而使可溶性糖含量增加,这与生理水平上可溶性糖含量升高趋势一致。MT也促进了植物激素信号转导途径中生长素亚途径与AUX 1、AUX/I AA、A R F及GH 3相关的基因表达上调。综上所述,干旱胁迫抑制花椒幼苗的生长,而施用MT可以缓解干旱胁迫对花椒的伤害,提高其抗旱能力。关键词:花椒;干旱胁迫;褪黑素;生理响应;转录组分析中图分类号:Q 9 4 5.7 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 6 1(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-1 0P h y s i o l o g i c a l a n d T r a n s c r i p t o m i c A n a l y s e s o f t h e E f f e c t s o f M e l a t o n i n o n Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m U n d e r D r o u g h t S t r e s sX I E F a n g1,R E N L i-m i n g1,D I N G F e i2,Z H A N G S h u o-x i n1*(1.C o l l e g e o f F o r e s t r y,N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y,Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0,S h a a n x i,C h i n a;2.C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e s,L i a o c h e n g U n i v e r s i t y,L i a o c h e n g 2 5 2 0 0 0,S h a n d o n g,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o e x p l o r e t h e e f f e c t s a n d r e g u l a t i o n m e c h a n i s m s o f m e l a t o n i n(MT)o n Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m u n d e r d r o u g h t s t r e s s,t h e P S I I m a x i m u m p h o t o c h e m i c a l e f f i c i e n c y(F v/F m),e l e c t r o n t r a n s f e r r a t e(E T R),r e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s(R O S)c o n t e n t,m a l o n d i a l d e h y d e(MD A)c o n t e n t,a n t i o x i d a n t e n z y m e a c t i v i t y a n d s o l u b l e s u g a r(S S)c o n t e n t i n t h e s e e d l i n g s o f Z.b u n g e a n u m w i t h 2 0 0 m o lL-1 m e l a t o n i n a p p l i c a t i o n w e r e a n a l y z e d a f t e r d r o u g h t s t r e s s,a n d t r a n s c r i p t o m e a n a l y s i s w a s c a r r i e d o u t.T h e r e s u l t s i n d i-c a t e d t h a t MT-t r e a t e d p l a n t s s h o w e d h i g h e r F v/F m,E T R,a n t i o x i d a n t e n z y m e a c t i v i t y a n d S S c o n t e n t,a s w e l l a s l o w e r R O S a n d MD A c o n t e n t s t h a n t h o s e u n t r e a t e d p l a n t s.T h e i m p o r t a n t p a t h w a y o f K y o t o E n c y-c l o p e d i a o f G e n e s a n d G e n o m e s(K E G G)e n r i c h m e n t w e r e s t a r c h a n d s u c r o s e m e t a b o l i s m a n d p l a n t h o r-m o n e s i g n a l t r a n s d u c t i o n.MT u p-r e g u l a t e d t h e e x p r e s s i o n o f g e n e s r e l a t e d t o s u c r o s e p h o s p h a t e s y n t h a s e i n t h e s t a r c h a n d s u c r o s e m e t a b o l i c p a t h w a y o f Z.b u n g e a n u m u n d e r d r o u g h t s t r e s s,i n d u c e d t h e s u c r o s e s y n t h e s i s a n d i n c r e a s e d s o l u b l e s u g a r c o n t e n t,w h i c h w a s c o n s i s t e n t w i t h t h e i n c r e a s i n g t r e n d o f s o l u b l e s u g a r c o n t e n t a t t h e p h y s i o l o g i c a l l e v e l.M e a n w h i l e,MT a l s o p r o m o t e d t h e u p-r e g u l a t i o n o f AUX 1,AUX/I AA,A R F a n d GH 3 r e l a t e d g e n e s i n p l a n t h o r m o n e s i g n a l t r a n s d u c t i o n p a t h w a y.I n c o n c l u s i o n,d r o u g h t s t r e s s i n h i b i t s t h e g r o w t h o f Z.b u n g e a n u m s e e d l i n g s.T h e a p p l i c a t i o n o f MT c a n d a m e l i o r a t e d r o u g h t-i n d u c e d d a m a g e s a n d i m p r o v e t h e d r o u g h t r e s i s t a n c e o f Z.b u n g e a n u m.K e y w o r d s:Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m;d r o u g h t s t r e s s;m e l a t o n i n;p h y s i o l o g i c a l r e s p o n s e;t r a n s c r i p t o m e a n a l y s i s 花 椒(Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m)是 芸 香 科(R u t a c e a e)最重要的经济树种之一,在中国有悠久的栽培历史1,具有很高的经济价值和生态价值。花椒根系发达,固土能力强,耐旱性强,广泛种植于缺水地区2。干旱导致花椒生长不良、花期推迟和落花落果,最终花椒的产量和品质降低。因此,干旱已成为花椒产业发展的阻碍3-4。干旱影响植物的生理响应和基因表达。干旱胁迫导致植物气孔关闭、光系统受到损伤,从而抑制了光合作用5。同时,植物受到干旱胁迫会产生过量活性氧(R O S),造成膜脂质过氧化,最终细胞膜系统受损6。植物也进化出不同的策略来抵御干旱胁迫的有害影响,其通过提高抗氧化酶的活性和积累渗透调节物质来缓解干旱造成的氧化伤害7。此外,植物可以调节分子水平基因的表达来响应干旱胁迫8。例如,关思静等9研究结果表明干旱条件下甘草叶片通过诱导保护酶基因的表达来调节抗氧化酶活性,从而减轻植株损伤。然而植物的内部防御机制不足以应对严重和长期的干旱胁迫1 0。因此寻找一种能够有效提高花椒植株抗旱性的方法对保障花椒生产有重要意义,而植物生长调节剂的应用被认为是解决这一问题的高效的和生态友好的方法1 1。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺,m e l a t o n i n)是一种天 然 的 吲 哚 类 化 合 物,在 动 植 物 体 内 普 遍 存在1 2。许多研究表明,褪黑素是一种天然的自由基清除剂和强大的抗氧化剂,在提高植物非生物胁迫的耐受性方面发挥重要作用,其可以直接清除植物体内的活性氧,维持氧化还原动态平衡,调节抗氧化酶、脯氨酸代谢和次生代谢产物的基因水平,以减轻干旱胁迫对植物造成的损害1 3-1 4。W a n g等8对枇杷的研究表明,褪黑素处理能有效减少干旱胁迫下幼苗活性氧的积累,提高光合作用效率和调控淀粉与蔗糖代谢途径蔗糖合成酶基因的表达。此外,外源褪黑素通过抑制过氧化氢的积累,促进活性氧清除,调控与谷胱代谢、钙信号转导和茉莉酸生物合成相关的基因来提高玉米的抗旱性1 5。目前,褪黑素对干旱胁迫下花椒的影响尚未见报道,其潜在的生理和分子机制也尚不清楚。因此,本研究以花椒幼苗为试验材料,探讨褪黑素对花椒干旱胁迫的生理响应及可能的分子机制,为进一步阐明褪黑素调控花椒抗旱性提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验设计试验于2 0 2 1年9-1 0月在西北农林科技大学人工气候室内 进行,环境条 件:温度2 5,湿 度6 0%,白 天/夜 为1 4/1 0 h。试 验 材 料 为 花 椒(Z.b u n g e a n u m)幼苗,品种为大红袍,购于陕西省韩城市三川秦苗木公司。花椒苗龄6个月,定植于内径1 8 c m,深1 0 c m的塑料盆内,栽培基质为按比例混合的风干土和腐殖质(41),每桶装土2 k g,土壤田间持水量为2 5.5%。选取长势一致的花椒幼苗随机分成4组,随机选取2组,每天1 9:0 0喷施褪黑素,剩余2组喷施蒸馏水,隔天喷1次,共喷5次,随后进行停止浇水胁迫处理。试验设置4个处理,每个处理3 0株幼苗,3个生物学重复。处理如下:1)C K:叶面喷施蒸馏水+正常供水;2)C KMT:叶面喷施2 0 0 m o lL-1褪黑素+正常供水;3)D R:叶面喷施蒸馏水+干旱处理;和4)D RMT:叶面喷施2 0 0 m o lL-1褪黑素+干旱处理。其中褪黑素的浓度为2 0 0 m o lL-1(依据预实验筛选出的浓度)。正常供水土壤含水量是土壤田间持水量的1 0 0%,每天2 0:0 0称重补充散失水分;干旱处理为停止浇水7 d,第7天土壤含水量为田间持水量的3 0%3 5%,达到重度胁迫1 6。在干旱处理第1天和第7天采集从下往上数第9-1 1叶位的叶片,在液氮中快速冷冻后保存在-8 0 的冰箱中,用于后续测定。1.2 测定方法1.2.1 叶绿素荧光参数 用便携式荧光仪(D u a l-P AM-1 0 0,W a l z,G e r m a n y)测定干旱胁迫第1天和第7天花椒完全展开叶,每个处理至少测5株。暗适应3 0 m i n后进行测定,得到最大光化学效率(F v/F m)及电子传递速率(E T R)。1.2.2 生理指标测定 丙二醛(MD A)含量用硫代巴比妥酸法测定1 7,超氧化物歧化酶(S O D)活性用氮蓝四唑法测定1 8,过氧化物酶(P O D)活性用愈创木酚显色法测定1 9,过氧化氢酶(C AT)活性用紫外吸收法测定2 0。活性氧包括超氧阴离子(O-2)和过氧化氢(H2O2),超氧阴离子(O-2)含量依据Z h a n g等2 1的方法测定,过氧化氢(H2O2)和可溶性糖含量分别使用过氧化氢含量检测试剂盒和植物可溶性糖含量试剂盒(可见分光光度法)(北京索莱宝科技2西北林学院学报3 8卷 有限公司)测定。1.2.3 转录组测序和数据分析 取C K-7 d、C K-MT-7 d、D R-7 d和D RMT-7 d的花椒叶片,每个处理2个生物学重复,液氮速冻后用干冰保存运输,送北京诺禾致源公司进行转录组测序。用天根多糖多酚植物试剂盒(天根生化科技,北京)提取总R NA,质量检测后在I l l u m i n a H i S e q平台上进行测序,将过滤原始数据获得的c l e a n r e a d s与竹叶花椒参考基因组2 2进行比对。用D E S e q 2软件(1.2 0.0)筛选不同比较间的差异表达基因(d i f f e r e n t i a l l y e x p r e s s e d g e n e s,D E G s),筛选标准为l o g2(f o l d c h a n g e)0和p a d j 0.0 5。通过c l u s t e r P r o f i l e r(3.8.1)软件实现差异表达基因的基因本体(G e n e O n t o l o g y,GO)富集分析和京都基因与基因组百科全书(K y o t o E n c y c l o p e d i a o f G e n e s a n d G e n o m e s,K E G G)富集分析。p a d j 0.0 5时,表示D E G s在注释的GO t e r m和p a t h w a y中显著富集。1.3 统计学分析采用S P S S(v e r s i o n 2 2.0:S P S S I n c,C h i c a g o,I L,U S A)进行方差分析,数据用D u n c a n多重比较法进行统计学分析,P0.0 5代表不同比较间差异显著。使用S i g m a P l o t 1 2.5绘制图形。所有值均以3个独立生物学重复的平均值S D表示,2 结果与分析2.1 褪黑素对干旱胁迫下花椒叶绿素荧光参数的影响 在 正 常 水 分 条 件 下,施 用MT对F v/F m和E T R没有明显影响。干旱处理后,花椒叶片F v/F m和E T R显著下降,D RMT与C K相比分别下降了4%和6 8%,D R分别下降了1 0%和8 4%。MT处理的叶片F v/F m和E T R显著高于单纯的干旱胁迫。D RMT的F v/F m和E T R分别是D R的1.1倍和2.1倍(图1)。结果表明,褪黑素处理减轻了干旱对光合的抑制作用。C K:正常供水;C KMT:褪黑素处理+正常供水;D R:干旱处理;D RMT:褪黑素处理+干旱处理。同组间不同小写字母代表不同处理间差异性显著(P9 7%,Q3 0值均9 3%,G C含量为4 4.0 4%4 5.0 7%,各处理c l e a n r e a d s与参考基因组的总体比对率为6 2.1 6%7 2.4 8%。结果表明,转录组测序获得的数据质量高,可以用于进一步的分析。2.7 差异表达基因筛选基于对8个文库的测序,使用l o g2(f o l d c h a n g e)0和p a d j 0.0 5来筛选差异表达基因。在D R/C K比较中,共筛选出了1 3 2 5 9个D E G s(5 8 9 0个基因上调,7 3 9 0个基因下调)。在D RMT/C K比较中,共筛选出了1 4 2 2 8个D E G s(6 4 3 5个基因上调,7 7 9 3个基 因 下 调)。在D RMT/D R比 较 中,共 筛 选 出 了图4 褪黑素对干旱胁迫下花椒抗氧化酶活性的影响F i g.4 E f f e c t o f m e l a t o n i n o n a n t i o x i d a n t e n z y m e a c t i v i t y o f Z.b u n g e a n u m u n d e r d r o u g h t s t r e s s4西北林学院学报3 8卷 图5 褪黑素对干旱胁迫下花椒可溶性糖含量的影响F i g.5 E f f e c t o f m e l a t o n i n o n s o l u b l e s u g a r s c o n t e n t o f Z.b u n g e a n u m u n d e r d r o u g h t s t r e s s1 6 7 6个D E G s(5 6 1个基因上调,1 1 1 5个基因下调)。D R v s C K、D RMT v s C K和D RMT v s D R特 异表达基因数量分别为1 8 5 0、3 0 3 7个和3 8 0个(图6)。由此可见,褪黑素可以调节更多的基因来响应干旱胁迫。2.8 差异表达基因G O富集分析为了更深入地了解在干旱胁迫下褪黑素处理的花椒幼苗D E G s的生物学功能,进行了GO富集分析(图7)。GO富集分析是将D E G s映射到G e n e O n t o l o g y 数 据 库 的 各 个t e r m中 进 行GO注 释。GO t e r m分为生物学过程(b i o l o g i c a l p r o c e s s,B P)、细胞 组 分(c e l l u l a r c o m p o n e n t,C C)和 分 子 功 能(m o l e c u l a r f u n c t i o n,MF)3大类。本研究为了探究褪黑素对干旱胁迫下花椒幼苗分子调控机制的影响,重点关注D RMT v s D R比较间的差异表达基因。结果表明,D RMT v s D R比较中D E G s富集到了8 5 6个t e r m中,其中在3个t e r m显著富集(P0.0 5)。其中,生物学过程(B P)有1个t e r m,分子功能(MF)有2个t e r m。显著富集的t e r m(P0.0 5)主要和防御响应(d e f e n s e r e s p o n s e)、钙离子结合(c a l c i u m i o n b i n d i n g)和序列特异性D NA结合(s e q u e n c e-s p e c i f i c D NA b i n d i n g)相关。表1 花椒幼苗测序数据统计T a b l e 1 S t a t i s t i c s o f Z.b u n g e a n u m s e e d l i n g s s e q u e n c e d a t a样品过滤后数据数据大小/G b错误率(%)Q2 0值(%)Q3 0值(%)G C含量(%)总体比对率(%)C K 14 4 1 4 2 1 1 06.6 20.0 39 7.9 19 3.8 24 4.7 57 1.7 8C K 24 1 2 2 6 1 5 86.1 80.0 29 8.0 69 4.1 24 4.6 27 0.9 9C KMT 14 2 2 8 6 2 0 46.3 40.0 29 8.1 89 4.4 34 5.0 77 2.1 0C KMT 24 6 7 0 0 1 6 27.0 10.0 39 7.9 99 3.9 04 4.5 67 2.4 8D R 14 5 4 0 9 2 9 66.8 10.0 39 7.9 59 3.9 44 4.5 86 3.7 8D R 24 5 2 7 9 1 6 46.7 90.0 39 7.6 79 3.3 94 4.0 46 2.1 6D RMT 14 5 5 5 1 1 0 86.8 30.0 39 7.7 09 3.5 44 4.3 26 6.6 6D RMT 24 1 9 3 9 3 5 86.2 90.0 39 7.9 99 3.9 94 4.3 86 7.4 02.9 差异表达基因K E G G富集分析为了确定褪黑素参与花椒干旱胁迫的主要代谢途径,对差异表达基因进行K E G G p a t h w a y富集分析,重点关注D RMT v s D R中上调D E G s的p a t h-w a y。富集分析散点图结合D E G s数量确定了重要代谢途径(图8)。D RMT v s D R上调D E G s显著富集的p a t h w a y是淀粉与蔗糖代谢途径(s t a r c h a n d s u c r o s e m e t a b o l i s m)。此 外,植 物 激 素 信 号 转 导(p l a n t h o r m o n e s i g n a l t r a n s d u c t i o n)也 是 关 键途径。2.1 0 淀粉与蔗糖代谢途径相关差异基因在淀粉与蔗糖代谢途径中,D RMT v s D R有2 0个差异表达基因,其中1 5个基因上调,包括7个编码淀粉水解酶,如-葡萄糖苷酶(3.2.1.2 1)、-淀粉酶(3.2.1.1)、-葡聚糖磷酸化酶(2.4.1.1)、异淀粉酶(3.2.1.6 8)和-淀粉酶(3.2.1.2)的基因,6个编码淀粉合成酶,如1,4-葡聚糖分支酶(2.4.1.1 8)、葡萄糖-6-磷酸异构酶(5.3.1.9)、颗粒结合淀粉合酶(2.4.1.2 4 2)和淀粉合成酶(2.4.1.2 1)等的基因,1个编码海藻糖磷酸酶(3.1.3.1 2)的基因和1个编码蔗糖磷酸合酶(2.4.1.1 4)的基因;5个基因下调,包括4个编码淀粉水解酶,如-呋喃果糖苷酶(3.2.1.2 6)和-淀粉酶(3.2.1.1)等的基因,1个海藻糖磷酸合酶/磷酸酶(2.4.1.1 5和3.1.3.1 2)的基因(图9)。其中,海藻糖磷酸合酶/磷酸酶参与海藻糖的合成,蔗糖磷酸合酶参与蔗糖的合成。2.1 1 植物激素信号转导相关差异基因在植物激素信号转导途径中,共有2 0个被富集的D E G s,与6个亚途径相关联(图1 0)。这包括7个来自生长素(I AA)亚途径的D E G s、4个来自细胞分裂素(C T K)亚 途 径 的D E G s、1个 来 自 脱 落 酸(A B A)亚途径的D E G s。还包括3个来自油菜素类固醇(B R)亚途径的D E G s、4个来自茉莉酸(J A)亚途径的D E G s,以及1个来自水杨酸(S A)亚途径的D E G s。在D RMT/D R比较中,生长素亚途径,5个基因上调,包括编码生长素输入蛋白(AUX)、生长素反应蛋白(AUX/I AA)、生长素反应因子(A R F)、吲哚-3-乙酸酰胺合成酶(GH 3)等的基因,2个编码5第4期谢 芳 等:褪黑素对干旱胁迫下花椒影响的生理和转录组分析图6 差异表达基因数量图和差异表达基因韦恩图F i g.6 T h e n u m b e r o f D E G s a n d t h e V e n n d i a g r a m o f D E G s纵轴代表t e r m名称,横轴代表丰富因子,点的大小代表D E G s的数量,p a d j值由点的颜色反映。图7 D RMT v s D R的差异表达基因GO富集图F i g.7 GO e n r i c h m e n t o f d i f f e r e n t i a l l y e x p r e s s e d g e n e s f r o m D RMT v s D R纵轴代表途径名称,横轴代表丰富因子,点的大小代表D E G s的数量,p a d j值由点的颜色反映。图8 D RMT v s D R的上调差异表达基因K E G G富集F i g.8 K E G G e n r i c h m e n t o f u p-r e g u l a t e d d i f f e r e n t i a l l y e x p r e s s e d g e n e s f r o m D RMT v s D R6西北林学院学报3 8卷 红色框中标记的蛋白质代表上调基因,绿色框代表下调基因,灰色框代表上下调基因均存在,白色框无显著变化。图9 干旱胁迫下褪黑素对花椒幼苗淀粉和蔗糖途径的影响F i g.9 E f f e c t s o f m e l a t o n i n o n s t a r c h a n d s u c r o s e p a t h w a y i n Z.b u n g e a n u m s e e d l i n g s u n d e r d r o u g h t s t r e s s生长素反应蛋白(AUX/I AA)的基因下调;细胞分裂素亚途径,4个基因均上调,包括编码细胞分裂素受体(C R E 1)和磷酸转运蛋白(AH P)等的基因;脱落酸亚途径涉及的1个D E G s下调,是编码脱落酸受的基因(P Y R/P Y L);油菜素内酯亚途径1个基因上调,是编码蛋白磷酸酶(B I N 2)的基因,2个下调,编码木聚糖内转葡糖基酶/水解酶蛋白(T CH 4)的基因;茉莉酸(J A)亚途径,4个编码转录抑制蛋白(J A Z)的基因下调;水杨酸(S A)亚途径,1个编码抗病因子(P R-1)的基因下调。3 结论与讨论干旱胁迫抑制植物的光合作用,阻碍了植物的生长和发育,降低了作物的产量和品质,而褪黑素可以调节植物的各种生理和分子过程,从而提高植物的抗旱性8。叶绿素荧光参数反映了光系统潜在光合能力,及其受到损伤的程度2 3。本研究发现干旱胁迫显著降低了F v/F m和E T R。这说明,光系统反应中心受到损伤,光合电子传递能力下降,从而抑制了植物的光合作用。褪黑素处理比未经褪黑素处理有着更高的F v/F m和E T R,表明褪黑素可以提高胁迫后的光能利用率,缓解胁迫对光合器官的伤害。这与叶君等2 4对小麦幼苗光合的研究结果相似。干旱胁迫使植物产生活性氧,过量活性氧会导致丙二醛含量增加,对植物造成严重的氧化胁迫。Z h a o等2 5对玉米的研究中发现外源褪黑素可以通过清除H2O2,减少丙二醛含量来减轻细胞膜质过氧化。在本研究中,干旱胁迫下花椒叶片的活性氧积累显著升高,丙二醛含量也增加。褪黑素处理的花椒叶片活性氧水平和丙二醛含量低于单独干旱处理的叶片。这说明褪黑素可以有效清除活性氧,以此来减轻细胞膜的氧化损伤。该结果与上述褪黑素对玉米作用的研究结果一致2 5。此外,活性氧水平的高低与抗氧化酶活性的高低关系密切2 6。植物通过高效的抗氧化酶系统来保护自身免受氧化损伤。许多研究表明,褪黑素可以提高抗氧化酶的活性2 7。本研究结果显示干旱处理后花椒叶片抗氧化酶活性显著增加,并在褪黑素处理后进一步增加。由此可知,褪黑素提高了花椒叶片的抗氧化能力,可以有效清除活性氧,减轻干旱胁迫对植株的伤害,相似的结果在玉米中得到验证2 8。植物受到干旱胁迫时,通过增加渗透调节物质来维 持 细 胞 的 膨 压,从 而 缓 解 胁 迫 对 植 物 的 伤害2 9。可溶性糖是重要的渗透调节物质,对于逆境下植物维持渗透势具有重要的作用3 0。本研究表明,在干旱条件下,花椒叶片可溶性糖含量显著升高,而褪黑素处理的叶片比未经褪黑素处理的叶片积累了更多的可溶性糖,这与佟莉蓉等3 1对胡枝子幼苗的研究结果相似。因此,褪黑素可以通过增加7第4期谢 芳 等:褪黑素对干旱胁迫下花椒影响的生理和转录组分析图1 0 干旱胁迫下外源褪黑素对花椒幼苗植物激素信号转导途径的影响F i g.1 0 E f f e c t s o f e x o g e n o u s MT o n -l i n o l e n i c a c i d m e t a b o l i s m a n d p l a n t h o r m o n e s i g n a l t r a n s d u c t i o n p a t h w a y i n Z.b u n g e a n u m s e e d l i n g s u n d e r d r o u g h t s t r e s s可溶性糖含量来减轻干旱对植物造成的损伤。可溶性糖的重要组成之一是蔗糖,其含量增加能够提高植物抗性3 2。蔗糖磷酸合酶参与UD P-葡萄糖与果糖-6-磷酸合成蔗糖-6-磷酸的过程,随后蔗糖-6-磷酸在蔗糖磷酸磷酸酶的作用下被水解成蔗糖3 3。本研究中褪黑素处理上调了蔗糖磷酸合酶相关基因的表达,这可能诱导蔗糖合成,从而使可溶性糖含量升高,差异基因的表达模式与生理变化的趋势一致。多种植物激素协调植物不同信号通路来缓解干旱胁迫3 4。生长素是最常见的植物激素,是生长发8西北林学院学报3 8卷 育调 节 剂,对 干 旱 胁 迫 下 植 物 的 生 长 有 积 极 影响3 4-3 5。为了调节植物的生长发育,生长素可以诱导3组基因的表达:生长素/吲哚乙酸蛋白(AUX/I AA s)家族、生长素响应型GH 3基因家族和R NA(S AUR)家族3 6。本研究中,植物激素信号转导中的一些重要基因的表达水平受到外源褪黑素的显著调控。其 中,褪 黑 素 调 控 生 长 素 亚 途 径AUX 1、AUX/I AA、A R F和GH 3相关差异表达基因的上调,这有利于植物细胞伸长和植物生长。因此推测褪黑素处理可能通过促进生长素亚途径相关基因的表达来提高植物的抗旱性。综上所述,在干旱条件下,褪黑素通过调控花椒幼苗的生理响应和基因表达来提高花椒的抗旱性。褪黑素通过减少过量活性氧产生,增加抗氧化酶活性和积累更多的可溶性糖来缓解干旱胁迫对植株造成的伤害。此外,在转录水平上,褪黑素上调了淀粉与蔗糖代谢途径中与蔗糖磷酸合酶相关基因及植物激素信号转导途径中生长素亚途径AUX 1、AUX/I AA、A R F和GH 3相关基因的表达,提高了花椒幼苗对胁迫的抗性。参考文献:1 F E I X,L I J,KON G L,e t a l.m i R NA s a n d t h e i r t a r g e t g e n e s r e g u l a t e t h e a n t i o x i d a n t s y s t e m o f Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m u n d e r d r o u g h t s t r e s sJ.P l a n t P h y s i o l o g y a n d B i o c h e m i s t r y,2 0 2 0,1 5 0:1 9 6-2 0 3.2 HU H,F E I X,HE B,e t a l.I n t e g r a t e d a n a l y s i s o f m e t a b o l o m e a n d t r a n s c r i p t o m e d a t a f o r u n c o v e r i n g f l a v o n o i d c o m p o n e n t s o f Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m M a x i m.l e a v e s u n d e r d r o u g h t s t r e s sJ.F r o n t i e r s i n N u t r i t i o n,2 0 2 2,8:8 0 1 2 4 4.3 F E I X,HOU L,S H I J,e t a l.P a t t e r n s o f d r o u g h t r e s p o n s e o f 3 8 WR KY t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s o f Z a n t h o x y l u m b u n g e a n u m M a x i m.J.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M o l e c u l a r S c i e n c e s,2 0 1 9,2 0(1):6 8.4 刘晓林,赵晓娟,李彩玉,等.持续干旱对韩城市花椒生长及产量的影响J.陕西林业科技,2 0 1 9,4 7(6):1 0 4-1 0 5,1 1 0.L I U X L,Z HAO X J,L I C Y,e t a l.E f f e c t o f s u s t a i n e d d r o u g h t o n p e p p e rJ.S h a a n x i F o r e s t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 1 9,4 7(6):1 0 4-1 0 5,1 1 0.(i n C h i n e s e)5 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