摘要
土壤盐碱化严重影响植物的代谢、生理和生化特性，对作物生产具有极大的威胁，挖掘植物响应盐碱胁迫的关键基因，培育耐盐碱种质成为了解决这一问题的重要举措。谷子(Setaria italica)作为禾本科狗尾草属的杂粮作物，具有耐旱、耐贫瘠、基因组小等特点，其种质资源具有丰富的遗传多样性，蕴藏着多种可利用的优异基因，挖掘谷子中响应盐碱胁迫的关键基因对培育耐盐碱品种具有深远意义。 本研究通过对盐碱胁迫下360份自然种质资源叶绿素含量进行全基因组关联分析(GWAS),对关键候选基因SiDMR6在拟南芥中进行异源表达，验证基因功能;并选择不同盐碱敏感性的谷子品种进行盐碱胁迫处理，通过检测谷子幼苗生理生化指标的变化及转录组和代谢组差异分析，探究谷子幼苗响应盐碱胁迫的分子机制。主要结果如下: 1、实验室前期以360份自然种质资源为材料进行盐碱胁迫处理，基于叶绿素含量进行全基因组关联分析，挖掘到响应盐碱胁迫的关键候选基因SiDMR6。对该基因进行功能注释及单倍型分析，发现其主要与脱氧麦根酸相关(脱氧麦根酸是一种重要的铁离子螯合剂)，且该基因不同单倍型且之间差异显著。为验证单倍型结果，随机选取88份谷子种质资源并提取DNA,针对SiDMR6移码突变位点设计特异性引物，通过PCR进行鉴定。 2、为进一步验证候选基因SiDMR6的功能，对野生型拟南芥Col-0、转基因拟南芥OE-SiDMR6及突变体拟南芥Atdmr6其进行表型分析，结果表明，盐碱胁迫下突变体拟南芥Atdmr6的萌发率更高，老叶颜色更绿，表现出更好的盐碱耐受性。 3、对不同盐碱耐受性的谷子品种进行盐碱胁迫，分析其地上部表型、地下部表型、叶片及其生理生化水平的变化，结果表明，在盐碱胁迫下两个谷子品种幼苗的株高、鲜重、干重、光合色素含量均降低，耐盐碱型品种B241受到的影响小于敏感型品种B355。两个谷子品种幼苗中丙二醛(MDA)含量在盐碱胁迫下均增加，B355增加幅度高于B241;抗氧化酶活性均表现为下降，但B241下降幅度小于B355。叶绿体进行超微结构分析，发现盐碱胁迫下两个谷子品种均出现叶绿体体积缩小，淀粉粒消失，嗜锇颗粒数量减少的情况。盐碱胁迫后B241保持完整的膜结构，B355膜结构开始消解，维持良好的膜系统更有利于应对盐碱胁迫。 4、盐碱胁迫下B241组(B241-CK_VS_B241-T)差异表达基因的数量少于B355组(B355-CK_VS_B355-T),说明盐碱敏感型谷子对盐碱胁迫的响应更剧烈。GO富集分析和KEGG pathway富集分析发现，差异表达基因共同富集在氨基酸生物合成途径和类黄酮生物合成途径。这些通路中显著富集的基因可能是引起两个谷子品种耐盐碱能力不同的原因。对差异表达基因进行基因家族统计，结果显示433个基因分别属于19个基因家族，其中13个基因家族与非生物胁迫相关，这些差异表达基因协同响应盐碱胁迫，说明谷子盐碱胁迫下的基因表达及其调节机制的复杂性。其中HKT基因家族是响应盐碱胁迫的典型基因家族，因此本研究对其进行了具体的生物信息学分析，发现HKT基因家族在谷子中的盐碱响应模式并不相同。 5、基于非靶向代谢组技术的代谢分析，从12个谷子样品中共检测到1069种代谢物，差异代谢物360个，但仅有22种代谢物为已知的分子结构。这些代谢物主要富集在氨基酸代谢途径和类黄酮生物合成途径。两个谷子品种在代谢水平上对盐碱胁迫的响应并不完全相同，这些差异代谢物为耐盐碱特征代谢物。 总体而言，谷子的盐碱耐受性为多基因控制的数量性状，并且对盐碱胁迫的响应机制是复杂的，这使得谷子具备了多种响应应激情况的机制。本研究已证明转基因拟南芥OE-SiDMR6和野生型拟南芥Col-0的盐碱耐受性显著低于突变体拟南芥Atdmr6,但其具体调控机制仍需进一步研究。对盐碱耐受性不同的谷子幼苗进行生长及生理生化分析发现谷子幼苗可以通过渗透调节、过氧化调节，代谢物含量变化来应答盐碱胁迫，不同品种之间盐碱耐受能力存在显著差异。盐碱胁迫诱导与生理代谢相关基因表达出现差异，这些差异表达基因主要涉及光合作用、呼吸作用、离子转运及抗氧化调节等过程，并且一些差异表达基因在盐碱胁迫下可以通过调节代谢物中氨基酸和类黄酮等物质响应盐碱胁迫。
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