番杏LIM基因家族鉴定及TtWLIM1b的克隆与功能分析

【目的】分析番杏[Tetragonia tetragonoides(Pall.) Kuntze]中TtLIM基因家族的序列组成、RNA-seq基因表达和异源表达生物学功能,探究其可能参与调控番杏植株发育和胁迫应答反应的分子机理,为发掘番杏抗逆功能基因及其在作物育种中的应用提供理论基础。【方法】通过前期对番杏[Tetragonia tetragonoides(Pall.) Kuntze]cDNA文库的筛选,获得一个编码番杏LIM基因的全长cDNA,命名为TtWLIM1b,对TtWLIM1b在酵母中进行功能分析。结合番杏全基因组测序信息,从番杏基因组中鉴定出16个TtLIM基因,对这些家族成员的染色体定位、所编码蛋白的理化性质、系统进化以及蛋白的保守模式进行综合的生物信息学分析;构建番杏与拟南芥、水稻和紫花苜蓿的LIM蛋白家族成员的进化树。最后,通过RNA-seq分析TtLIM基因家族成员在番杏不同组织以及在不同胁迫处理后的相对表达量。【结果】异源表达TtWLIM1b能够提高转基因酵母的重金属耐受性及耐热能力;番杏TtLIM家族蛋白成员均含有LIM结构域,而该结构域富含半胱氨酸。因此,TtLIMs也是富含半胱氨酸蛋白(Cysteine rich protein, CRP)的一种。序列分析表明,番杏LIM蛋白成员具有高度的保守性,且其成员的复制扩增较为明显;TtLIM基因家族成员在不同的番杏器官中广泛而有差异地表达。【结论】番杏TtLIMs可能参与调控番杏植株发育和胁迫应答反应。

植物工厂中不同LED光质对番杏植株生长及营养物质积累的影响

【目的】研究植物工厂中不同LED光质对番杏植株生长及营养物质积累的影响,为筛选适宜番杏植株生长的最佳光质及番杏的优质高效栽培提供参考依据。【方法】以种植在植物工厂中的番杏为试验材料,设置白光为对照(CK)及不同比例红、蓝光(R2B8、R5B5和R8B2)4个光照条件处理,处理后45 d,测定番杏主根长、株高、茎粗、叶片数、叶面积和含水量等生长指标,测定光合色素含量与光合参数[净光合速率(P_(n))、气孔导度(G_(s))、胞间CO_(2)浓度(C_(i))和蒸腾速率(T_(r))]及营养品质(单宁、总黄酮、总皂苷、可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白和硝酸盐含量)指标,并分析主要农艺性状与营养指标的相关性。【结果】随着红光比例的增加,株高和主根长呈上升趋势,排序为R8B2>R5B5>CK>R2B8;红光比例的增加显著促进了番杏叶面积的增加(P<0.05,下同),R8B2处理下番杏的茎粗、叶片数、叶面积和鲜重均为最高值,分别较CK显著增加30.40%、16.00%、39.14%和5.86%;叶绿素a与总叶绿素含量在R8B2处理下含量最多,与CK相比分别显著增加20.94%和27.42%;R8B2处理下番杏P_(n)最高,与CK相比显著增加59.45%;R5B5处理的P_(n)最小。R2B8处理的总皂苷含量最高,与CK相比显著增加14.63%。可溶性糖与维生素C含量随着红光比例增加呈先升后降的变化趋势,分别在R5B5和R2B8时达峰值后降低。可溶性蛋白含量各处理差异不显著(P>0.05),硝酸盐含量随着红光比例的增加而降低。相关分析结果显示,不同LED光质处理下番杏的生长特性和营养成分变化密切相关。番杏的株高与茎粗、叶面积、鲜重等呈极显著正相关(P<0.01,下同),P_(n)与叶绿素a、总叶绿素含量和茎粗呈极显著正相关,总黄酮与单宁和可溶性蛋白呈显著正相关,硝酸盐与茎粗、叶绿素b、G_(s)等呈负相关。【结论】红、蓝光不同配比影响植物工厂中番杏的生长和营养物质积累,当2种光质光配比为R8B2时可促进番杏光合作用、形态建成和营养物质积累,降低硝酸盐含量,提升食用口感,可应用于番杏实际生产。

温度和水分及盐分胁迫对银沙槐种子萌发的影响

利用控制实验研究了温度、湿度、干旱和盐分胁迫等生态因子对银沙槐种子萌发的影响,以探索银沙槐种子对各种生态因子的适应性。结果显示:(1)银沙槐种子在20℃、25℃恒温和15℃/25℃、20℃/30℃、10℃/20℃变温环境中的发芽率较高且无显著差异,其在20℃恒温、15℃/25℃、20℃/30℃变温条件下的发芽指数较高,但差异不显著。(2)土壤含水量在1%～5%之间,各水分处理间种子发芽率差异显著(P<0.05),而在5%～25%间种子发芽率变化不显著。(3)盐胁迫和水分胁迫对银沙槐种子的萌发均有明显的抑制作用,可显著降低种子萌发率(P<0.05);种子发芽指数和活力指数均随渗透势和NaCl浓度增大而显著减小(P<0.05);恢复萌发率随渗透势和NaCl浓度的增加而显著增加(P<0.05)。研究发现,银沙槐种子萌发最适温度为20℃恒温和15℃/25℃变温,最适土壤含水量为10%～25%;种子萌发对盐分和干旱胁迫表现出不同程度的耐受性,萌发过程中主导抑制因素为渗透胁迫,离子毒害作用甚微;银沙槐种子休眠机制和萌发特征表现出它对生境的良好适应性。

NaCl与干旱胁迫对银沙槐幼苗渗透调节物质含量的影响

以银沙槐幼苗为材料,采用盆栽试验研究不同程度NaCl与干旱胁迫对其叶片渗透调节物质含量的影响,以探讨银沙槐幼苗对NaCl与干旱胁迫的适应性。结果显示,随着单一干旱、盐分及其交叉胁迫程度的增加,幼苗的MDA含量呈上升趋势;幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量基本上随NaCl与干旱胁迫程度的加剧呈逐渐上升趋势,在各胁迫水平下均显著高于对照(P<0.05),且在各种重度胁迫处理下均维持在较高水平;幼苗的可溶性蛋白含量在重度干旱与不同盐分交叉胁迫下呈下降趋势。研究表明,银沙槐幼苗中渗透调节物质在其抗旱耐盐性上起到了积极的调节作用;幼苗在盐旱交叉胁迫下表现出交叉适应性。

盐旱交叉胁迫对银沙槐幼苗生理生化特性的影响

以盆栽银沙槐(Ammodendron argenteum(Pall.)Kuntze)幼苗为材料,研究盐旱交叉胁迫对幼苗抗逆生理特性的影响,为其引种栽培提供理论依据。结果显示,随着交叉胁迫程度的加剧,银沙槐幼苗的根重比、根冠比、可溶性糖含量、叶绿素a/b(Chl a/Chl b)、类胡萝卜素(Car)含量显著上升,在各种重度胁迫处理下含量均维持在较高的水平;叶重比、根系活力、根系和叶片相对含水量(RWC)、叶绿素含量下降;过氧化氢酶(CAT)的活性呈现先上升后下降的趋势。分析认为银沙槐幼苗在盐旱交叉胁迫下表现出交叉适应性,适度的干旱胁迫可增加银沙槐的抗盐能力。

银沙槐种子表面消毒技术及无菌萌发条件研究

为获得银沙槐种子表面消毒的最佳方法及无菌萌发的最适条件,采用不同消毒剂和不同培养基对种子消毒方法和消毒后种子无菌萌发条件进行了研究。结果表明:种子消毒的最佳方法为自来水冲洗2-3次(振荡5min/次),蒸馏水冲洗3次(振荡5min/次),75%酒精预处理12min,无菌水冲洗1次,5%NaClO溶液消毒15min,最后用无菌水冲洗6-8次。发芽率可达64%,并彻底无污染;在MS、1/2MS、1/4MS、PDA及不同成分PDA的固体和液体培养基中,除MS外,种子在液体培养基中的萌发率要高于固体培养基,最适萌发培养基为MS固体培养基,其次是PDA(含葡萄糖)液体培养基,提示培养基中水分和营养成分可能共同影响银沙槐种子的萌发率。

植物工厂中光强对番杏生长发育及品质的影响

为筛选出在植物工厂条件下能促进番杏生长的最佳光照强度,本试验通过调节LED灯光强,研究了不同光照强度对番杏生长和品质的影响。结果表明:(1)在光照强度150μmol/(m^(2)·s)处理下,番杏株高、茎粗、根长、叶面积、侧枝长、叶片数等农艺性状均最佳;(2)在光照强度为150μmol/(m^(2)·s)时,番杏叶绿素a、b及总叶绿素含量最高,叶绿素荧光参数中,电子传递效率(ETR)最大,光系统PSⅡ最大光化学效率(F v/F m)和光化学淬灭系数(q P)数值虽较高,但并未呈显著性变化,非光化学淬灭系数(NPQ)则随光强增加而增加;(3)在光照强度为150μmol/(m^(2)·s)时,番杏糖类化合物、可滴定酸、维生素C、可溶性蛋白、游离氨基酸、黄酮类化合物等品质指标均表现为最佳状态,粗纤维与单宁含量变化不大,硝酸盐含量最低。综上所述,光照强度150μmol/(m^(2)·s)时有利于番杏生长发育及品质提高。

番杏TtASR基因的克隆及其抗逆功能分析

ASR(ABA, Stress and Ripening)蛋白是植物中特有的亲水性小分子蛋白,在植物细胞失水条件下对细胞器起保护性作用。本研究在构建番杏[Tetragonia tetragonioides (Pall.) Kuntze]全长cDNA文库中通过随机克隆测序分析基础上,获得了一个编码番杏ASR蛋白的全长cDNA序列,命名为TtASR(GenBank登录号:MH454101)。TtASR的cDNA全长序列包含一个为723 bp完整开放阅读框,编码蛋白TtASR含有240个氨基酸,等电点为5.26,分子量为25.29 ku。对TtASR与其他植物中同源蛋白的进化分析表明,与辽宁碱蓬SlASR和海蓬子SbASR-1亲缘关系较近。将TtASR的cDNA阅读框插入到原核表达载体pGEX6p-1中,通过转化大肠杆菌进行原核表达分析。结果表明,重组大肠杆菌菌株能表现出良好地抗逆性,特别是对NaCl、高渗透压和氧化胁迫的抗逆性增强。

盐、旱及其交叉胁迫对银沙槐幼苗保护酶活性的影响

为了研究银沙槐〔Ammodendron argenteum(Pall.)Kuntze〕幼苗对盐、旱及其交叉胁迫的适应性,采用盆栽试验的方式研究盐、旱及其交叉胁迫对银沙槐幼苗保护酶活性的影响。结果显示:在轻度和中度干旱、盐分的单一胁迫处理下,银沙槐幼苗超氧歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均上升。盐、旱交叉胁迫时,T2D胁迫前,银沙槐幼苗的SOD,POD和CAT活性均上升,三者协调一致。重度盐分、重度盐旱交叉胁迫下,银沙槐幼苗体内的SOD,POD和CAT保护酶的活性不能维持较高水平。表明保护酶在银沙槐的抗逆性上起到了积极的调节作用,在盐、旱交叉胁迫下表现出适应性,适度的盐分胁迫可增强银沙槐的抗旱能力。该研究为深入了解不同胁迫下银沙槐生长发育特征提供了依据。

银沙槐不同部位中微量元素含量的测定

利用火焰原子吸收光谱法测定银沙槐的不同部位中Cu、Zn、Ca、Fe、Mg、K、Cr、Mn的含量。对银沙槐植物中的根、茎、叶、花、果实中金属元素的含量进行了分析比较。以此研究了这几种金属元素在银沙槐体内的分布。结果显示,各元素在实验范围内,线性关系良好,加标回收率在92.00%—107.00%之间。相对标准偏差在0.02%—5.80%之间。由实验结果发现,银沙槐的不同部位中Cu、Zn、Ca、Fe、Mg、K、Cr、Mn的含量有差异。

植物工厂中光周期对番杏光合特性及品质的影响

为探究光周期对番杏[Tetragonia tetragonoides(Pall.)Kuntze]生长及品质的影响,利用植物工厂中光源高度可控的优势对番杏进行不同光照时间(8、10、12、14、16 h)处理,测定分析番杏的生长、光合特性及营养品质.结果表明:(1)番杏各农艺性状随光照时间延长而增长,在光照时间14 h与16 h处理之间未呈显著性差异(P<0.05);(2)适宜光周期有利于光合色素积累,在16 h处理下叶绿素a、总叶绿素和类胡萝卜素含量最大,叶绿素b含量则在14 h光照时最大;净光合速率(P_(n))、蒸腾速率(T_(r))和气孔导度(G_(s))随光照时间延长上升,其中净光合速率在14 h与16 h光照之间变化不显著,胞间CO_(2)(C_(i))则呈先降后升的趋势;光周期变化对最大光化学效率F_(v)/F_(m)与光化学淬灭系数q_(P)未造成显著影响,非光化学淬灭系数NPQ随光照时间延长呈先降后升的趋势,14-16 h光照处理之间变化不显著,电子传递效率ETR则随光周期延长而降低;(3)不同光周期对番杏各营养成分含量的影响有所差异,可溶性蛋白变化差异较小,硝酸盐随光照时间延长而降低,14 h光照下可溶性糖含量最大.本研究表明14-16 h光照处理有利于番杏生长和营养物质积累.(图5表2参37)