光信号对卷柏复苏过程叶绿体的调控与分子机制

论文摘要

复苏植物（desiccation tolerant plant/resurrection plants,DT plant）是一类可以忍耐极端干旱环境的植物。在干旱期,植物体细胞脱水超过90%进入休眠状态,当水分条件适宜,吸收水分并恢复其细胞、器官和整个植物体的生理机能。叶绿体作为植物最重要的细胞器之一,其在复苏植物脱水与复水中的应对策略对植物的生存至关重要。在复苏植物中存在叶绿素丧失型复苏植物（poikilochlorophyllous desiccation-tolerant plant,PDT plant）和叶绿素保持型复苏植物（homoiochlorophyllous desiccation-tolerant plant,HDT plant）两类。卷柏Selaginella tamariscina（P.Beauv.）Spring是一种在进化上古老的维管蕨类复苏植物,研究卷柏在脱水与复水过程中的叶绿体变化以及光对卷柏复苏的叶绿体调控作用与分子机制对于揭示复苏陆生植物的进化历程,植物叶绿体形态建成有重要意义。本研究以卷柏为研究对象,系统地分析了卷柏在脱水和复水过程中的变化,以及光对卷柏复苏的调控机制。研究内容包括以下4部分:（1）通过对比脱水与复水后的卷柏叶绿体超微结构,发现卷柏脱水至相对含水量低于10%时叶绿体结构仍保持完整,说明卷柏是一类HDT植物;光照和黑暗条件下复水卷柏的叶绿体超微结构基本一致,说明卷柏吸水复苏中光对其叶绿体结构的调控作用不明显。（2）通过对叶绿素含量的分析,发现脱水卷柏、光下复苏卷柏和暗下复苏卷柏的叶绿素b的含量没有差异,总叶绿素含量与叶绿素a含量在脱水状态下显著降解;光下复苏卷柏的总叶绿素与叶绿素a含量恢复到正常水平;在黑暗条件下复苏的卷柏叶绿素a与总叶绿素含量恢复不显著与脱水卷柏没有差异。说明光能促进复苏卷柏叶绿素的合成。通过对光合气体交换测量与叶绿素荧光测量各项参数的分析,发现脱水卷柏完全失去光合能力与PSⅡ的活性,光下复苏卷柏的光合作用与PSⅡ的活性均能恢复到正常水平;黑暗中复苏卷柏的光合作用与PSⅡ的活性均能一定程度的恢复,但显著低于正常水平。表明光对卷柏叶绿体功能的恢复发挥了重要的促进作用。（3）本研究利用转录组技术比较了光下和暗下复苏卷柏的基因表达情况,得到588个受光调控的差异表达基因。对比暗下复苏的卷柏,光下复苏的卷柏有295个显著上调的基因和293个显著下调的基因。差异基因GO数据库的注释显示光主要调控了生物过程与细胞组份中,如细胞代谢、刺激反应、光合膜的基因表达;同时差异基因在KEGG数据库中注释到与能量代谢,碳水化合物代谢相关的基因数量比较多,光主要调控了类胡萝卜素的生物合成、光合作用、黄酮和黄酮醇的生物合成、光合天线蛋白和昼夜节律五条通路的基因表达。通过对比卷柏光合天线蛋白编码基因和光合电子传递链相关蛋白复合物编码基因表达情况,发现叶绿体基因组编码的相关基因受光信号的影响与核基因组编码基因相比较小。表明光信号主要通过顺式通路,即通过核基因编码的转录或者转录后的调节因子调节控制叶绿体的发育与功能。综上所述,本研究以卷柏为实验材料,通过测量与分析正常环境下生长的卷柏、脱水卷柏、光下复水72小时卷柏与暗下复水72小时卷柏的叶绿体的超微结构、叶绿素含量、光合作用和叶绿素荧光的参数,并通过转录组和实时定量荧光PCR技术分析基因表达情况,揭示了光信号在卷柏复苏过程中所发挥的促进作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 复苏植物
•   1.2 复苏植物的进化、种类与分布
•   1.3 复苏植物的研究进展
•     1.3.1 复苏植物的发现与基本特征
•     1.3.2 复苏植物耐干性的生理生化与分子机制
•     1.3.3 光合系统在植物复苏过程中的变化
•     1.3.4 组学在复苏植物领域中的应用
•   1.4 卷柏
•     1.4.1 卷柏
•     1.4.2 卷柏的基因组学研究
•     1.4.3 卷柏的脱水与复苏过程
•   1.5 研究内容及意义
• 2 实验材料与方法
•   2.1 植物材料
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 相对含水量、比叶面积测定
•     2.2.2 叶绿素的提取
•     2.2.3 电镜样品的制备
•     2.2.4 光合曲线与光合参数的测定
•     2.2.5 叶绿素荧光参数的测定
•     2.2.6 RNA的提取
•     2.2.7 转录组测序
•     2.2.8 cDNA的合成
•     2.2.9 实时荧光定量qPCR
•     2.2.10 数据分析
• 3 实验结果
•   3.1 光对卷柏复苏过程的叶绿体结构的调控
•     3.1.1 脱水卷柏与复水卷柏的相对含水量和比叶面积
•     3.1.2 脱水卷柏和复水卷柏叶绿体的超微结构
•   3.2 光对卷柏复苏过程的叶绿体功能的调控
•     3.2.1 脱水卷柏和复水卷柏叶绿素含量
•     3.2.2 卷柏的光响应曲线
•     3.2.3 脱水卷柏与复水卷柏的光合作用变化
•     3.2.4 脱水卷柏与复水卷柏叶绿素荧光
•   3.3 脱水卷柏与复水卷柏的转录组分析
•     3.3.1 卷柏总RNA的提取
•     3.3.2 卷柏原始测序数据的过滤统计
•     3.3.3 卷柏原始序列的组装
•     3.3.4 卷柏All-Unigene的功能注释
•     3.3.5 卷柏样本间聚类分析与分组间差异分析
•     3.3.6 卷柏受光调控的差异表达基因的GO与KEGG分析
•   3.4 光对卷柏复苏过程的调控机制
•     3.4.1 RNA-seq验证光合作用与光合天线蛋白基因表达
•     3.4.2 qPCR验证光合作用与光合天线蛋白基因表达
•     3.4.3 RNA-seq与qPCR相关性分析
• 4 讨论
•   4.1 光对卷柏复苏过程的叶绿体结构的调控
•     4.1.1 卷柏是一类HDT植物
•     4.1.2 光对卷柏叶绿体结构的调控不显著
•   4.2 光对卷柏复苏过程的叶绿体功能的调控
•     4.2.1 光是卷柏叶绿素合成的决定因素
•     4.2.2 光对卷柏光合能力与PSⅡ活性的恢复有重要的促进作用
•   4.3 光对卷柏复苏过程的基因表达的调控
•   4.4 光对卷柏复苏过程的调控机制
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李歆毓

导师: 万迎朗

关键词: 卷柏,复苏,环境光,叶绿体,光合参数,转录组分析

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 北京林业大学

分类号: Q945.11

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.001058

总页数: 75

文件大小: 4986K

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