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利用Plantarray植物生理表型平台作物研究

发布时间:2022-05-16 点击量:69

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主题Ⅰ:作物研究

A combination of stomata deregulation and a distinctive modulation of amino acid metabolism are associated with enhanced tolerance of wheat varieties to transient drought

短时干旱内小麦品种耐旱性增强与气孔失调和氨基酸代谢独特条件的关系

摘要

引言:地中海冬季作物普遍且越来越多地受到不规则降雨和高温的影响,出现不同程度的短时干旱情况对生长和产量产生不利影响。因此,探索作物中存在的不同程度的耐旱性及其背后的分子策略对于发展特别育种计划至关重要。

目的:我们研究了六种商业小麦品种在分蘖期和灌浆期对瞬时水分胁迫的生理和代谢反应。方法:采用蒸渗仪的干旱试验分两个发育阶段进行,共包括六个小麦品种。在干旱期间和恢复后对新扩展的幼叶和旗叶取样。使用基于GC-MS的协议生成代谢物图谱。通过使用电子温度补偿称重传感器测量盆栽的重量变化,持续获取蒸腾数据。

结果:小麦分蘖期对干旱的敏感性高于灌浆期。前一阶段的特点是在干旱恢复期间也发生了明显的代谢改变,植物表现出蒸腾作用减少。值得注意的是,品种对干旱的敏感性差异很大。仅在cv Zahir中,分蘖时蒸腾作用没有减少。在恢复期间,Yuval 和Zahir 的蒸腾速率没有受到显着影响,而除 Ruta 外,其他品种保持较低的值。在灌浆时,与 Gedera、Galil 和 Ruta 的更强响应相比,Bar-Nir、Yuval 和 Zahir 品种对干旱的响应适度减少。恢复期间的蒸腾趋势仍然低于对照植物,特别是在 Gedera 和 Zahir 中,但达到了更高的值。不同品种叶片的代谢物谱显示了品种特异性响应趋势。特别是在分蘖期间,氨基酸代谢在不同品种间存在差异调节。例如,Ruta和Zahir在胁迫反应期间表现出中心碳氮代谢的重大变化,在分蘖期间积累了大量脯氨酸和苏氨酸,而在Bar-Nir中,相对氨基酸含量普遍下降。Galil、Ruta、Yuval和Zahir常见应激相关GABA的变化。脱水相关的棉子糖族低聚糖主要与灌浆后期和反应恢复阶段有关。

结论:结果表明,小麦品种在短暂干旱期间发生了阶段依赖性代谢多样化以及生理反应。可以得出结论,最耐受的品种是 Zahir,其中气孔关闭失调和胁迫相关代谢物的显着积累率的组合是显而易见的。

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图1.每个栽培品种在20天内的盆中土壤体积含水量 (%)

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图2.水分胁迫和恢复在预处理(1×)、处理(2×)和恢复(3×)对分蘖期(a-f)和灌浆期(g-l)6个小麦品种整株蒸腾速率(mmol m-2 s-1)的影响

在两个发育阶段的胁迫和恢复期间,与各自的对照相比,处理过的植物的相对日蒸腾量有所降低(图2)。分蘖时蒸腾作用的减少程度因品种而异,与各自的对照相比在19%到45%之间。Bar-Nir、Gedera、Galil、Ruta和Yuval均受到显著影响(图2a-f)。在恢复过程中,Yuval和Zahir的蒸腾速率分别下降了33%和23%,但与对照无显著差异。相比之下,Bar-Nir、Gedera、Galil 和 Ruta 的蒸腾速率在胁迫缓解后仍然低于对照(图 2a-f)。在籽粒灌浆期,短暂干旱胁迫的影响显著,且大于Galil和Ruta的早期阶段(图2g-l)。与对照相比,恢复期蒸腾作用的趋势仍然低于胁迫处理植株,尤其是在Gedera(7%)和Zahir(9%)。然而,Yuval和Ruta是处理过的植株中植株蒸腾量分别显著增加27%和40%的品种(图2g-l)。

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图3.基于分蘖(a,b)和籽粒灌浆 (c,d) 受胁迫 (a,c) 和恢复(b,d) 的植物叶片样品的注释代谢物的PCA分析

采用主成分分析(PCA)检测代谢物谱(图3)估算在每个发育阶段的胁迫和恢复期间短暂干旱对六个小麦品种叶片中央C-N代谢物组成的影响。

分蘖时,测定了干旱处理对不同品种叶片代谢产物组成的影响。当绘制第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)时,只有三个品种(Bar-Nir、Ruta和Zahir)表现出广泛的变化(图3a、b)。苏氨酸、葡萄糖-6-磷酸、琥珀酸、乙醇酸、戊二酸和磷酸盐是主要有助于PC1分离的代谢物,这解释了61%差异来源的原因。葡萄糖、蔗糖、山梨醇、麦芽糖、GABA和柠檬酸盐主要有助于PC2上样品的分离,这解释了12%的差异。在恢复期间,当所有基因型在PC1和PC2上显示的代谢物谱发生变化时,测量对胁迫的后期反应。然而第一和第二部分(分别为28%和14%)解释的方差表明,变化的程度是中等的;(图3b)。主要有助于分离两种成分数据样品的代谢物包括葡萄糖-6-磷酸、缬氨酸、脱水相关低聚糖棉子糖和半乳糖醇、甘露醇、麦芽糖、阿拉伯糖醇和山梨醇-6-磷酸。

在灌浆期,与早期阶段相比胁迫组和对照样品在PC地块上整齐分开(图3c),早期主要由少数优秀品种控制。灌浆期,品种在PC地块上的分布更为均匀,但相对代谢物含量的总体变化比分蘖期的变化更为缓和。脯氨酸、赖氨酸、棉子糖、天冬酰胺和苯丙氨酸有助于PC1上样品分离的代谢物(解释29%的差异),半乳糖、棉子糖、脯氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸有助于PC2上的分离(解释22%的差异)。在恢复期间,除Galil外,所有品种的样品与其各自的对照聚集在一起(图3d)。导致PC1分离的代谢物解释了29%的差异,包括天冬酰胺、丝氨酸、蛋氨酸、棉子糖和磷酸盐,而天冬酰胺、蛋氨酸、乌头酸、苯甲酸和磷酸盐导致PC2分离,解释了13%的差异。值得注意的是,在这两个发育阶段决定样本在PC地块上分布的代谢物列表顶部富含氨基酸,强调了它们在干旱响应中的关键作用。

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