摘要
玉米是世界上重要的粮食作物之一，高温是黄淮海夏玉米生产中的主要气象灾害，其对苗期玉米的损害一直是玉米生产中备受关注的问题。郑单309是课题组选育的优良玉米新品种，耐高温品种鉴定试验显示其具有优异的耐高温特性。本论文通过研究郑单309及其亲本（父本:郑M189;母本:郑H39-1）苗期高温胁迫3天、6天后的生理指标，转录组谱和代谢组谱，分析玉米高温胁迫响应机制。主要结果如下: 1.随着高温胁迫时间的延长，郑单309及其亲本的MDA、H2O2含量均呈上升趋势，其中郑单309上升幅度最小，含量最低;脯氨酸和可溶性蛋白含量均先升高后降低;可溶性糖含量持续上升;叶绿素含量持续下降;这4项生理指标在郑单309中的含量均最高;SOD、POD和CAT的活性均先升高后降低，其中郑单309的酶活性最高，郑H39-1次之，郑M189的酶活性最低。结果表明，郑单309相对于亲本具有良好的杂种优势，通过杂交育种将有望改良玉米的耐高温能力。 2.在高温胁迫两个时间点，郑单309及其亲本中发现299个关键高温响应基因，主要编码蛋白激酶超家族蛋白、过氧化物酶和热休克蛋白(Hsp90、Hsp101、sHsp)等。其中，编码Hsp101的基因显著上调，在郑M189中上调幅度最小，在郑单309中上调幅度最大，高温胁迫3天、6天在郑单309中分别上调221.9倍和65.2倍。通路富集分析发现，郑单309及其亲本在应对高温胁迫时既有保守性途径，也有特异性途径。保守性途径，主要包括对高温的响应、氧化还原酶活性和糖跨膜转运蛋白活性等。然而，郑单309上调的DEGs显著富集在与应激反应相关的途径（如对缺水的响应、对过氧化氢的响应和对活性氧的响应）。 3.在郑单309及其亲本中鉴定出150种共有的高温响应代谢物。高温胁迫下，甘露糖-6-磷酸、黄酮类、香豆素、玉米素和茉莉酸等代谢物在郑单309及其亲本中均高度积累;其中，茉莉酸积累最显著，高温胁迫下，郑单309中茉莉酸的含量最高且增幅最大，郑M189中的含量最低且增幅最小。 4.转录组和代谢组关联分析发现，果糖与甘露糖代谢、半胱氨酸与甲硫氨酸代谢，以及α-亚麻酸代谢通路中的DEGs和下游DEMs变化趋势基本一致，这些通路对玉米抗热性起关键作用。 高温胁迫后POD活性升高，编码POD的基因表达量的变化趋势与生理结果一致，说明玉米体内的抗氧化酶参与高温响应，清除活性氧以缓解高温造成的损伤;玉米苗中的可溶性糖含量随着高温胁迫时间延长而增加，也发现代谢谱中可溶性糖α-D-葡萄糖和海藻糖的大量积累，同时发现郑单309及其亲本上调的基因显著富集在糖跨膜转运蛋白活性、氨基糖与核苷糖代谢以及淀粉与蔗糖代谢等糖代谢途径;而甘露糖-6-磷酸显著积累，可能通过促进糖酵解途径来缓解高温胁迫。 通过对郑单309及其亲本的高温响应基因和代谢物进行比较，发现两个亲本之间重叠的基因/代谢物最少，而杂交种与母本之间重叠的最多，结合生理指标结果，表明母本对杂交种的耐热性有更大的遗传贡献，且杂交种耐高温能力更强。综上所述，推测玉米通过糖代谢途径、茉莉酸(JA)调节以及活性氧清除系统响应高温胁迫;本文挖掘的基因和代谢物以及关键通路为玉米高温胁迫响应机制研究提供了理论基础。
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