小麦灌浆期旗叶响应高温胁迫的蛋白组学与热响应关键基因HSP90的全基因组分析

摘要

小麦在灌浆期经常遭受高温胁迫，造成严重的产量和品质下降。小麦耐热性对热胁迫下产量的形成至关重要，因此，探清灌浆期小麦热适应机制显得十分的迫切。本研究将小麦材料“中国春”在开花后15天进行37 ℃热处理3天，借助iTRAQ蛋白组学技术分析了小麦旗叶中的蛋白变化，并结合生理试验探讨热胁迫对小麦细胞生理和蛋白状态的影响。蛋白组研究中发现大量热激蛋白被诱导累积，本研究进一步以90 kDa热激蛋白（HSP90）为研究对象分析其转录本的丰度、热响应模式，为研究HSP90在热胁迫中的作用提供依据。具体研究结果如下： 1）在热胁迫的旗叶iTRAQ蛋白组研究中鉴定到258个热响应蛋白，GO生物学过程、KEGG代谢通路富集分析发现热响应蛋白主要参与蛋白代谢活动、胁迫响应、氧化还原调控、光合作用相关过程。热胁迫下小麦旗叶中总体蛋白翻译不仅在翻译起始阶段也在延伸阶段受到抑制，但是大量分子伴侣特别是热激蛋白被诱导表达以保护现有蛋白稳定性。热胁迫还引起小麦叶片细胞内氧化胁迫并造成严重的质膜系统损伤，但是在氧化还原调控中，与以往研究不同的是本研究中在小麦旗叶细胞内一套特殊的以谷胱甘肽S转移酶和硫氧还蛋白为主的氧化还原调控系统被激活。 2）在光合作用过程中，热胁迫不仅抑制了Calvin循环，还抑制了叶绿素前体——原叶绿素酸脂的合成途径。生理学试验发现旗叶中叶绿素a和叶绿素b含量显著减少，说明热胁迫下这两种叶绿素的前体合成受到了阻碍。进一步分析叶绿素合成途径和光合作用相关基因的转录变化发现，将生长10天小麦幼苗分别进行24 ℃、37 ℃、40 ℃胁迫后，这些基因的转录表达热胁迫下迅速降低，且胁迫时间越长、温度越高，抑制效果更加严重。但是叶绿素含量的减少滞后于基因表达量的降低，在热胁迫4-5天后才出现。这些结果表明了热胁迫对小麦的伤害呈现出一种热累加效应。 3）小麦基因组编码了18个HSP90基因，这些基因只分布在2、5、7号同源群上。在每一个亚家族中，基因序列非常保守且以三联体的形式分布。灌浆期旗叶和籽粒热胁迫下的转录组分析发现亚家族内三联体基因的表达趋势一致，而亚家族之间的表达模式有明显的分化。在正常条件下，HSP90ABs组成性高表达，HSP90AAs和HSP90C2s则是低表达。在热胁迫下，HSP90AAs 响应程度最大，体现在表达丰度和变化倍数上。所有的基因都至少一个处理方式上响应热，但位于5号同源群的HSP90ABs和HSP90C2s在籽粒中并不响应热，且在籽粒中10分钟热胁迫内没有基因在转录上响应热胁迫。 4）热胁迫下HSP90总共产生了126个转录本，其中36个转录本是基因组中注释的，其余90条则是新鉴定的。每一个基因编码了2-13个转录本，但是只有1-2条主要转录本代表了该基因的主要表达量，而且热胁迫下变化倍数最大的转录本往往不是主要转录本。在18个HSP90基因中，12个基因既在转录水平也在剪接水平上受到热调控，特别地，HSP90C2基因不受剪接调控。籽粒中，在10分钟内热胁迫下有7个HSP90基因在剪接水平上响应热；转录上不响应热的基因中有1个基因在剪接水平上响应热。在旗叶中只有HSP90AAs和HSP90ABs这两个亚家族的基因受到剪接水平调控。这些结果说明HSP90s在热胁迫下产生大量的转录本，丰富了HSP90响应热胁迫的多样性；研究发现 HSP90 同时受到转录水平和剪接水平的调控，拓展了对这些热保护关键蛋白在响应高温信号的调控方式的理解。

目录

声明

第一章 文献综述

引言

1.1 高温对植物生理状态的影响

1.2 高温胁迫对小麦生长以及农艺性状的影响

1.3 小麦田间耐热避热管理措施

1.4高温胁迫下植物的组学研究

1.5植物响应高温胁迫的分子生物学基础

1.6 立项依据以及研究内容

第二章 小麦灌浆期旗叶响应高温胁迫的蛋白组学分析

2.1 试验材料和方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

第三章 热响应关键基因HSP90的全基因组分析

3.1 试验材料和方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

第四章 研究结论

4.1 高温显著影响灌浆期小麦旗叶的代谢途径

4.2 高温对小麦的影响展现出热累加效应

4.3 高温胁迫下小麦HSP90s表现出复杂的响应和调控方式

参考文献

附录

致谢

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