摘要
为研究高粱在低温胁迫下的响应机理，探究高粱耐冷相关基因与代谢物变化情况。本试验以285份高粱种质为供试材料，以正常发芽温度(25℃)为对照，设置2℃、4℃、6℃和8℃共4个胁迫温度梯度，筛选得到高粱耐冷种质筛选最适胁迫温度。并测定在低温胁迫下高粱种质形态指标、生理指标、利用转录组学测序和代谢组学测定分析高粱叶片差异基因、差异代谢物，并进行相应生物学分析，主要研究结果如下: 1.对60份预试验材料进行萌发期和幼苗期的耐冷筛选，胁迫温度分别为(2℃、4℃、6℃、8℃)，胁迫分析后得出6℃为高粱耐冷性鉴定的最适胁迫温度。因此，试验以6℃为胁迫温度对285份高粱材料的萌发期各形态指标进行测定，在萌发期筛选到极强耐冷型高粱7份(‘210’、‘277’、‘187’、‘46’、‘5’、‘218’和‘208’)，冷敏感型高粱3份(‘137’、‘273’、‘94’)。同时，以6℃为胁迫温度对285份高粱种质幼苗期进行形态指标测定，筛选到幼苗期极强耐冷型高粱1份，编号为‘46’，冷敏感型高粱18份，分别为‘30’、‘273’、‘55’等。为进一步验证室内筛选结果准确性，对全部高粱种质进行田间梯度早播，根据试验地地温确定大田早播梯度为3月26日、4月6日、4月16日和5月15日(CK)，大田耐冷筛选鉴定结果显示，‘91’、‘226’、‘44’和‘46’等种质在三次田间早播中均具有良好的出苗率和出苗能力。285份高粱种质经过室内及大田耐冷筛选综合分析得出，高粱种质‘46’为极强耐冷型高粱，高粱种质‘273’为冷敏感型高粱。 2.将筛选得到的极强耐冷型高粱和冷敏感型高粱在6℃低温胁迫下分别处理0d(CK)、1d、3d、5d和7d，测定其内部生理活性变化。结果表明，随着低温胁迫时长的增加，强耐冷型高粱在低温胁迫下膜系统、渗透调节系统、抗氧化酶系统和光合系统受到的低温损坏程度均低于冷敏感型高粱。 3.通过极强耐冷型高粱和冷敏感型高粱的转录组学分析发现，在低温胁迫下强耐冷型高粱具有更活跃的低温抵御机制，有6209个DEGs和5506个DEGs分别在强耐冷型高粱和冷敏感型高粱中差异表达。其中，ATP结合、RNA结合、RNA修饰、钙离子结合、胞内膜?结合细胞器和氨基酸活性在GO富集通路top20中排名靠前。在对差异表达基因显著富集通路分析中得出，碳代谢、光合作用-天线蛋白合成、氨基酸生物合成和类胡萝卜素合成等多个代谢通路响应高粱耐冷机制，主要映射到植物光合作用、渗透调节、能量代谢等多个途径。并筛选出Sobic.001G512800.v3.2、Sobic.003G189700.v3.2、Sobic.003G303300.v3.2、Sobic.004G078000.v3.2、Sobic.004G101900.v3.2、Sobic.001G348100.v3.2和Sobic.008G190100.v3.2共7个基因在两高粱种质资源响应低温胁迫反应中均有重要体现。在转录因子分析中，MYB、bZIP、WRKY和NAC和AP2/ERF-ERF等基因家族在高粱耐冷响应机制中上调明显。 4.对极强耐冷型高粱和冷敏感型高粱进行代谢组学分析，共检测到5321个差异代谢物，其中对照组（NL-CKVSML-CK）、胁迫3d对比组（NL-AVSML-A）、胁迫7d对比组（NL-BVSML-B）分别检测到1115、516、1080个差异代谢物。整体差异代谢物数量呈先降低后升高趋势，在胁迫3d时最少，在胁迫7d时逐渐增加。两耐冷型高粱种质差异代谢物主要富集在氧化磷酸化、氨基酸合成与分解、花青素生物合成和戊糖磷酸途径。 5.对转录组学和代谢组学结果进行联合分析，结果显示，在氨基酸生物合成、花青素生物合成、脂肪酸合成与降解、异黄酮生物合成以及次生代谢物生物合成分类是高粱响应耐冷的关键代谢途径，并且这些途径中UDP-阿拉伯糖、L-蛋氨酸s-氧化物、飞燕草素3-葡萄糖苷5-咖啡酰葡萄糖苷、L-棕榈酰肉碱和dADP等差异代谢物以及Sobic.005G167500.v3.2、Sobic.005G110502.v3.2和Sobic.010G115900.v3.2等差异基因都显著参与了高粱的耐冷响应。
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