干旱“记忆”基因参与的植物抗旱机制探究

	干旱“记忆”基因参与的植物抗旱机制探究; Mechanisms of drought resistance in plants involving drought memory genes
	李萍
导师	刘莉
学位专业	生物化学与分子生物学
关键词	干旱“记忆” 水稻小立碗藓机制适应性进化
摘要	随着全球变暖及环境恶化，逐渐加剧的干旱对人类生产生活造成了严重威胁。植物抗旱研究对于农业生产及人类发展具有重要意义。植物在长期生长过程中，会形成多种抗逆相关机制，干旱“记忆”是其中重要的一种。植物干旱“记忆”一般表现为在经受过干旱胁迫后，再次经历干旱胁迫时表现出更高的自身活力和抗旱能力的现象。前人研究发现很多植物在经过人工多次干旱处理后，会形成干旱“记忆”，同时植物的叶片含水量、激素含量和光合作用等生理指标都会愈加稳定，可以应用于提高植物的抗旱能力。然而目前关于植物干旱“记忆”的研究主要在拟南芥等模式植物中开展，“记忆”基因即在多次干旱胁迫后表达显著不同于首次干旱胁迫时的基因，被发现在干旱“记忆”中具有重要作用，但关于其产生及调控机制尚无相关的报道，对干旱“记忆”与物种进化的关联研究也未见报道。本研究从植物抗旱“记忆”出发，选取小立碗藓及水稻进行“记忆”基因参与的抗旱机制研究。通过处理条件摸索及生理指标测试，我们首次获得了在小立碗藓及水稻中建成干旱“记忆”的方法，并结合转录组测序技术对干旱“记忆”植物材料的干旱及复水处理点进行干旱“记忆”基因及其参与的抗旱机制的探究，主要结果总结如下：（1）在经过几轮相对含水量不低于55%的相对温和的干旱、复水处理后，水稻干旱“记忆”可以被建成，且复水处理22h可以使其生理状态得到恢复；在小立碗藓干旱“记忆”建成过程中，相对含水量可以低至近18%，恢复处理22h后，其生理参数可以得到恢复。（2）在水稻的干旱“记忆”转录组中，我们检测到10124个差异表达基因，而其中6885个基因属于干旱“记忆”基因，其与238个干旱“记忆”lncRNAs共同参与到水稻干旱“记忆”的调控当中。结合“记忆”基因的定义，包含在16种表达模式中干旱“记忆”基因可以根据其表达模式及发挥的功能，分为五种“记忆”类型，分别为Lineage、Stable、Initial、Accumulated和Dosage。Lineage和Accumulated模式包含的“记忆”基因在首次干旱胁迫时就发生了显著差异变化，是胁迫响应中常见表达趋势；Stable和Initial类别“记忆”基因在首次干旱处理S1时表达量被显著诱导，但随着处理的进行最终维持在相对平稳水平（R3、S4）；Dosage类别的“记忆”基因则在首次干旱胁迫处理中不发生响应，在后期干旱复水处理中（R3、S4）才产生急剧变化，容易在干旱研究中被忽略。（3）经过对水稻转录组数据分析，我们发现植物激素信号（特别是ABA与JA）参与了水稻干旱“记忆”的形成，其中ABA可能作为“记忆”因子激活脯氨酸合成及光合作用等相关路径基因的表达，从而在后期干旱响应中发挥作用。结合lncRNAs及DNA甲基化数据，我们发现lncRNAs在具有干旱“记忆”趋势的同时，其预测产生的miRNA可能直接作用于ABA信号传导关键基因而影响相关基因的表达；而5373个干旱“记忆”基因可能与DNA甲基化相关联，因此，我们推测lncRNAs与DNA甲基化均参与到水稻的干旱“记忆”中。（4）从小立碗藓转录组数据中，我们获得了18104个差异表达基因，通过复水处理后的C1、C2、C3三个对照点的引入，我们排除了每次干旱后的复水处理未能使基因表达恢复的可能性，保证了处理方法及测序数据的可靠性。通过更多次干旱复水处理，我们确定了小立碗藓干旱“记忆”存在稳定性，也获得了更丰富的干旱“记忆”数据。经过基因共表达网络分析，我们获得了与小立碗藓干旱“记忆”直接相关17种表达模式。（5）在聚类的小立碗藓表达模式中，我们发现Darkolivegreen4模式基因呈现出在除第一次干旱处理外的后期干旱复水处理中显著响应的表达量变化。通过对其代表性基因进行功能验证，我们发现了一系列可以影响及调控小立碗藓抗逆能力基因，而基因Pp3c2_11520更是表现出对小立碗藓干旱“记忆”形成时间的影响。（6）经过我们的试验并结合前人发表的数据，我们对比了四种具有干旱“记忆”的植物--小立碗藓、水稻、玉米和拟南芥，发现四种植物在形成干旱“记忆”时存在差异：小立碗藓因其强耐脱水性表现出明显低相对含水量水平，水稻则表现出最快的脱水效率，玉米与拟南芥耐脱水能力相对居中。对比四个物种的干旱“记忆”基因，我们发现基因表达模式在四个物种间存在差异：包括单碱基修复，同源重组修复，错配修复等基础的损伤修复路径基因在小立碗藓中有明显的富集，而其他三类高等植物的修复集中于泛素介导的蛋白质水解方面，这一修复相关功能明显随着物种的进化在不断地完善。（7）通过物种中功能基因与表达模式的关联分析，我们发现了物种在进化过程中应对干旱处理时基因表达量变化的一般规律：细胞识别与信号传导（包含激素传导信号在内）相关的代谢路径基因在物种进化中的干旱响应中一直都呈现出急剧上升的表达趋势；而光合作用基因则呈现出下降的表达趋势；能量代谢与物质降解相关基因呈现出延迟响应的变化。同时，我们发现在物种进化抗旱响应的一般规律中，随着物种的进化，具体机制也会呈现出差异，例如小立碗藓中物质降解相关的代谢以RNA降解与内吞作用为主，拟南芥中以蛋白质降解与吞噬体为主，玉米中以剪切体为主，水稻中以蛋白酶体为主等。（8）光合作用因其在植物中的特殊性，在众多抗逆机制里也受到了越来越多的关注，我们发现小立碗藓PSII（光合作用-光系统II）相关的功能基因较之其他进化后期的高等植物，表现出更加快速的响应及下降的表达，推测这可能与其强耐脱水能力相关。植物激素中的生长素相关基因也呈现出较复杂的变化，转运PIN蛋白基因表现出随进化的表达趋势多样化与进化后期的均一化的变化；而信号传导相关的IAA基因则表现出随物种进化从无到有的变化等，这些复杂性可能与其参与较多、较复杂的植物生长发育与生长调控过程相关。综合以上结果，我们发现干旱“记忆”是植物的重要抗逆机制，我们从转录组数据中挖掘了大量干旱“记忆”的功能基因，发现参与该抗旱机制的基因表达及调控网络的复杂性，同时在干旱“记忆”数据中发现了可以直接调控干旱“记忆”形成的基因，这为后期进行干旱“记忆”机制的深入探究及干旱“记忆”的应用奠定了基础。在进化水平上，我们发现了干旱“记忆”随物种进化的一般规律，并且发现了小立碗藓强耐脱水性产生的可能原因，这些都为该抗逆机制的研究提供了一定的帮助。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	博士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/74062
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	李萍. 干旱“记忆”基因参与的植物抗旱机制探究, Mechanisms of drought resistance in plants involving drought memory genes[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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201618010615033+李萍.p（8566KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文