作物秸稈栽培的黑木耳子實體耐旱機制.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著國家天然林保護的實施和停伐范圍的不斷擴大,導致木屑資源市場供應不斷減少,嚴重地制約了黑木耳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另一方面,國家又是作物秸稈大國,秸稈資源極為豐富。然而作物秸稈隨意丟棄或就地焚燒的現(xiàn)象隨處可見,既浪費了資源,又污染了環(huán)境。因此,作物秸稈完全或部分替代木屑栽培黑木耳受到廣泛關注,而且栽培后的廢料可作為有機肥提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此,大力發(fā)展作物秸稈栽培黑木耳對促進作物產(chǎn)業(yè)和黑木耳產(chǎn)業(yè)具有良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益,也對生

2、態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護具有重要的意義。
  在黑木耳栽培過程中,干旱是影響產(chǎn)量最大的環(huán)境脅迫因子。對于一般生物(絕大數(shù)陸生植物和蕈菌)營養(yǎng)體來說,干旱脅迫嚴重時可使其干枯、死亡,即使解除了干旱脅迫,也很難恢復其生命特征。然而黑木耳(Auricularia auricula)子實體在干旱脅迫下,雖然干燥但卻并未死亡,當環(huán)境條件合適時可以吸水繼續(xù)生長。由此可見,與其他生物營養(yǎng)體相比,黑木耳子實體極強的耐旱性。在干旱脅迫

3、下,黑木耳子實體這種很強的生存能力、獨特的生存方式及生命現(xiàn)象在真核生物界非常罕見。目前,還未見黑木耳耐旱機制研究相關報道。
  基于這一研究背景,利用作物秸稈栽培黑木耳(配方:木屑30%、豆秸43%、玉米芯10%、麥麩15%、石膏1%和石灰1%)。待耳片長至直徑2cm左右采摘后在陽光下自然干燥,當失水率達到0%(對照)、10%、30%、50%和70%時,收集樣品作為試驗材料,在生理學和分子生物學水平上研究黑木耳子實體的耐旱機制。本

4、研究成果對理解生命在干旱條件中生命的生存方式及其現(xiàn)象的多樣性,豐富生物耐旱理論具有重要的科學價值和意義;為黑木耳子實體抗逆性研究提供了依據(jù)和參考;為黑木耳子實體分子生物學深入研究提供了豐富的基因資源;也為黑木耳基因工程育種奠定了基礎。研究內(nèi)容和主要研究結(jié)果如下:
  1.干旱脅迫對黑木耳子實體的傷害
  與對照相比,丙二醛(MDA)含量和細胞膜透性在失水過程中差異不顯著,表明黑木耳子實體在干旱脅迫條件下沒有受到傷害。

5、  2.黑木耳子實體耐旱的生理機制
  (1)滲透調(diào)節(jié)作用:可溶性蛋白含量在失水過程中(10%~70%)急劇升高;而可溶性糖、可溶性多糖和可溶性氨基酸含量在失水率50%和70%大幅增加。這些物質(zhì)均能在干旱脅迫條件下發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用,以保護黑木耳子實體。其中可溶性蛋白滲透調(diào)節(jié)能力最強。
  (2)抗氧化系統(tǒng):超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)在失水過程中(10%~70%)酶活力大幅提高,是清除

6、氧自由基(ROS)的第一道防線;抗壞血酸(AsA)和還原型谷胱甘肽(GSH)含量在失水率50%和70%升高,脯氨酸含量僅在失水率70%時升高,構(gòu)成了清除ROS第二道防線??寡趸到y(tǒng)這二道防線能有效地清除干旱脅迫誘導的過量ROS,保護黑木耳子實體免受氧化傷害。
  (3)呼吸酶:蘋果酸脫氫酶(MDH)酶活力在失水過程中(10%~70%)急劇下降,在失水率50%和70%降至零,表明干旱脅迫抑制三羧酸循環(huán)(TCA);葡萄糖-6-磷酸脫氫

7、酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-PGDH)聯(lián)合酶活力在失水過程中(10%~70%)持續(xù)升高,說明磷酸戊糖途徑(PPP)是黑木耳子實體在干旱脅迫下主要呼吸途徑,可提供大量NADPH用于清除 ROS和代謝。
  (4)黑色素:黑色素含量失水率在30%~70%持續(xù)增加,有利于吸收紫外線和清除ROS,為黑木耳子實體在干旱脅迫和光脅迫中提供保護。
  3.黑木耳子實體耐旱的分子機制
  失水率為0%的黑木耳子實

8、體為對照(C),失水率為30%、50%和70%的黑木耳子實體等量混合物為處理(T),采用SMART策略構(gòu)建了cDNA抑制性消減雜交(Suppression SubtractiveHybridization,SSH)文庫。正向庫(T+C):Tester為T的cDNA,Driver為C的cDNA;反向庫(C+T):Tester為C的cDNA,Driver為T的cDNA。
  (1)測序結(jié)果:兩個文庫的所有克隆測序后,序列經(jīng)過去載體和接

9、頭、聚類和拼接獲得305個表達序列標簽(ESTs),其中正向庫146個,反向庫159個。
  (2)同源性比對:在NCBI數(shù)據(jù)庫,用Blastx對所有ESTs進行同源性比對,得到96個同源性高且蛋白質(zhì)功能明確的ESTs(正向庫39個,反向庫57個),209個同源性較高但蛋白質(zhì)功能為推測的ESTs(正向庫107個,反向庫102個),80個未查到或同源性較低的ESTs(正向庫47個,反向庫33個)。
  (3)差異表達基因:根據(jù)

10、ESTs編碼蛋白質(zhì)的信息,將96個蛋白質(zhì)功能明確的ESTs分為9個類別。差異ESTs分析結(jié)果表明在干旱脅迫過程中,黑木耳子實體通過信號轉(zhuǎn)導通路的變換,開啟防御系統(tǒng)增強耐旱能力。差異表達基因功能分類及耐旱ESTs的作用如下:
  1)碳水化合物代謝:纖維素酶、巖藻糖酶、木糖苷酶與阿拉伯呋喃糖苷酶上調(diào)表達(正向庫ESTs)可將纖維素、半纖維素等多糖類物質(zhì)分解為可溶性糖;葡聚糖磷酸化酶、β-葡聚糖合成酶和CoA合成酶上調(diào)表達促進了可溶性

11、多糖合成。可溶性糖和可溶性多糖含量提高,可增強黑木耳在干旱脅迫時的滲透保護作用。
  2)蛋白質(zhì)代謝:翻譯起始因子eIF2和肽基脯氨酰異構(gòu)酶上調(diào)表達,可增強蛋白質(zhì)合成;脯氨酰肽酶、絲氨酸羧肽酶、真菌酸性蛋白酶、肌酸酶/氨基肽酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶以及泛素支架蛋白Cullin下調(diào)表達(反向庫ESTs)降低了蛋白質(zhì)分解速度。蛋白質(zhì)合成增強、分解下降,有利于積累蛋白質(zhì),可提高黑木耳在干旱脅迫時的滲透保護作用和增強耐早相關蛋白

12、的合成。
  3)氨基酸代謝:鄰氨基苯甲酸合成酶和谷氨酰胺水解酶上調(diào)表達可促進色氨酸和谷氨酸合成,金屬依賴性肽酶和26S蛋白酶體的硫氧還蛋白域上調(diào)表達也可通過蛋白質(zhì)分解增加氨基酸含量。氨基酸含量增加,可為黑木耳在干旱脅迫下增強滲透保護作用。
  4) DNA穩(wěn)定相關:ⅡB型拓撲異構(gòu)酶、錯配堿基對和十字形DNA識別蛋白、3-磷酸多核苷酸激酶上調(diào)表達,增強了DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的解旋和恢復能力;染色體分離ATP酶上調(diào)表達,可增加染色

13、體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和促進染色體分離。
  5)轉(zhuǎn)錄相關:DNA指導的RNA聚合酶Ⅰ上調(diào)表達,可促進核糖體rRNA轉(zhuǎn)錄,有利于蛋白質(zhì)合成;RNA依賴的RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、沉默信息調(diào)節(jié)因子2、RNA解旋酶的下調(diào)表達,可控制黑木耳子實體某些特定基因在干旱脅迫下的表達和沉默。
  6)信號轉(zhuǎn)導:促分裂原活化蛋白激酶、RCK1蛋白激酶上調(diào)表達以及WD40重復蛋白下調(diào)表達,可提高清除ROS能力和增強滲透調(diào)節(jié)作用;CDK細胞周期蛋白依

14、賴性激酶A上調(diào)表達,可加速黑木耳子實體休眠進程。
  7)胞內(nèi)胞外運輸:網(wǎng)格銜接蛋白復合物σ亞基APS2、胞外分泌復合體Sec10亞基、主要促進超家族轉(zhuǎn)運蛋白及氯離子通道蛋白上調(diào)表達,可促進蛋白質(zhì)、小分子物質(zhì)和無機離子等的分泌和運輸,以增強黑木耳子實體耐旱性。
  8)能量產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換:細胞色素C氧化酶亞單位1上調(diào)表達,可促進電子傳遞鏈ATP合成;GSH依賴的甲醛脫氫酶、Zn依賴的乙醇脫氫酶、FAD依賴的脫氫酶和Aldo-酮還

15、原酶上調(diào)表達,可促進還原力合成,參與清除ROS及有毒物質(zhì)。
  9)細胞防御:細胞色素P450、芳香胺N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶、羧酸酯酶和腈水解酶上調(diào)表達,有利于清除體內(nèi)外的毒素;乳酰谷胱甘肽水解酶和過氧化物酶體合成因子1上調(diào)表達,不僅提高GSH、AsA和VE含量和SOD、CAT和POD等酶活力以清除ROS等自由基和毒素,還可加快生物氧化進程;CRISPR/CAS系統(tǒng)上調(diào)表達,可防止外源生物及其DNA入侵;熱激蛋白70上調(diào)表達,有利于蛋白

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