纳米氧化锌增强红树植物秋茄抗寒性机制的转录组分析OA

【目的】纳米氧化锌(ZnO NPs)具有提高作物抗寒性的作用。本研究旨在探究纳米氧化锌提高抗寒性的代谢路径,并研发含有ZnO NPs的防冻剂,为我国最北缘红树林安全越冬提供理论和技术支撑。【方法】以一年生红树林秋茄(Kandelia obovata)幼苗为试验材料进行了盆栽试验。秋茄幼苗首先在常温下分别喷施清水、200 mg/L ZnO NPs,然后,每个处理组分为两份,一份继续在常温(昼/夜温度为25℃/20℃)下培养,另一份在昼/夜温度为8℃/-3℃的低温下胁迫处理3天,测定幼苗叶片的叶绿素荧光参数,收获后利用转录组测序技术分析影响秋茄抗寒能力的关键通路,采用DESeq2软件,以log_(2)FC≥1和q-value<0.05为阈值筛选差异表达基因(DEGs)。防冻剂效果盆栽试验设置常温下喷施清水对照、常规复合防冻剂(防冻剂)、含ZnO NPs的复合防冻剂(纳米氧化锌防冻剂) 3个处理,然后在低温下胁迫处理4天,测定丙二醛含量、光合参数,剩余幼苗移回常温培养7天,记录各处理叶片受冻害情况。【结果】与喷清水常温处理相比,低温胁迫显著降低了秋茄幼苗叶片PSⅡ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学猝灭系数(qP)、光适应状态下PSⅡ最大光化学效率(Fv′/Fm′);喷ZnO NPs低温胁迫处理下,秋茄幼苗叶片ΦPSⅡ、Fv/Fm、qP和Fv′/Fm′值分别为喷清水低温胁迫处理的2.26、2.33、2.40和1.71倍。喷清水低温胁迫与喷清水常温相比,共检测到7840个DEGs,其中上调基因4399个,下调基因3441个;喷施ZnO NPs低温胁迫与低温胁迫相比,共检测到7856个DEGs,其中上调基因3462个,下调基因4394个。所有处理鉴定到的差异表达基因,其主要富集于光合作用、核糖体结构与翻译、MAPK信号及苯丙烷代谢通路。与防冻剂处理相比,纳米氧化锌防冻剂处理显著降低了秋茄叶片相对电导率、丙二醛含量以及幼苗冻害指数,显著提高叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、CO_(2)碳饱和点、羧化效率、最大净光合速率,降低CO_(2)补偿点,从而提高植株的光合固碳能力,减轻低温胁迫对秋茄幼苗的伤害。普通防冻剂也显著提高了低温胁迫下的净光合速率与羧化效率,显著降低了MDA含量,并显示出一定的抗低温伤害效果。【结论】ZnO NPs通过调控光合作用、核糖体结构与翻译、MAPK信号及苯丙烷代谢通路相关基因的表达,稳定细胞膜功能,维持光化学效率和固碳能力。含ZnO NPs的复合防冻剂较普通防冻剂可进一步提高受低温胁迫的秋茄幼苗叶片光合气体交换和CO_(2)固定能力,显著降低秋茄的冻害指数,这种增强效果与转录组分析中ZnO NPs预处理幼苗的抗寒分子机制相吻合。