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油菜与其C3-C4中间型近缘种Moricandia suffruticosa光合作用特性的系统比较分析

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摘要

英文缩略表

第一章 文献综述

1.1 植物光合作用的类型及碳同化途径

1.1.1 C3光合途径

1.1.2 C4光合途径

1.1.3 CAM途径

1.1.4 C2光合途径

1.2 植物光合作用的复杂性和多样性

1.3.1 C4光合作用进化的条件

1.3.2 光合作用的进化过程

1.4 油菜光合作用研究进展

1.5 Moricandia suffruticosa的特性及其应用前景

1.6 光合作用的转录组比较研究进展

1.6.2 C4植物叶肉细胞和维管束鞘细胞之间的转录组比较

1.7 本研究的内容和意义

第二章 油菜与MS叶片和角果之间光合特性相关比较

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.2.1 试验材料的种植和生长

2.2.2 解剖结构的观察

2.2.3 光合生理参数的测定

2.2.4 光合相关酶活的测定

2.2.5 数据整理与统计分析

2.3 结果与分析

2.3.1 油菜与MS叶片和角果解剖结构的比较

2.3.2 油菜与MS光合生理的比较

2.3.3 油菜与MS光合相关酶活的比较

2.4 结论与讨论

第三章 高温、干旱胁迫处理后油菜与MS叶片的光合特性比较

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 试验材料的种植和生长

3.2.2 干旱、高温胁迫处理条件

3.2.3 解剖结构的观察

3.2.4 光合和叶绿素荧光参数的测定

3.2.5 光合相关酶活的测定

3.2.6 数据整理与统计分析

3.3 结果与分析

3.3.1 油菜与MS胁迫前后叶片解剖结构的比较

3.3.2 干旱、高温胁迫后的光合参数变化

3.3.3 干旱、高温胁迫后的叶绿素荧光参数变化

3.3.4 干旱、高温胁迫后的光合相关酶活变化

3.3.5 干旱、高温胁迫前及胁迫恢复后油菜和MS生长状况的变化

3.4 结论与讨论

第四章 油菜与MS高温、干旱胁迫前后的转录组比较分析

4.1 引言

4.2 材料和方法

4.2.1 试验材料的种植和生长

4.2.2 干旱、高温胁迫处理条件

4.2.3 取样和RNA抽提

4.2.4 叶片转录组测序、组装及数据分析

4.3 结果与分析

4.3.1 MS和油菜比较转录组分析与基因差异表达分析

4.3.2 差异表达基因的主要富集途径

4.3.3 MS和油菜一些重要差异基因的初步筛选

4.4 结论与讨论

第五章 全文结论及展望

参考文献

致谢

作者简历

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摘要

油菜是我国重要的油料作物,作为一种C3植物,其光合效率较低。Moricandia suffruticosa(MS)是近年来发现的一种拥有较高光合效率的C3-C4中间型植物,C3-C4植物被认为是光合作用从C3途径进化到C4途径的过渡类型,也是研究光合作用的宝贵资源。研究表明MS与油菜同属于十字花科芸薹族,亲缘关系非常近。因此,本研究对二者之间进行解剖结构、光合生理、生化酶活和转录组的系统比较,同时分析油菜叶片和角果的光合作用特性,挖掘MS优良生物学特性相关的重要基因,进而解析C3-C4光合途径的高光效机理,为油菜光合作用基因工程改良提供理论和技术基础。
  对甘蓝型油菜叶片和角果光合作用特性的分析表明,其叶片和角果都缺少C4“花环”结构,但角果的维管束密度高于叶片,说明角果具有的较高维管束密度可能有利于光合产物的代谢,而角果中并不存在C4光合途径。角果的光饱和点、CO2饱和点和CO2补偿点显著高于叶片。叶片C3关键酶Rubisco的活性高于角果,而角果C4关键酶的活性略高于叶片。因此认为角果在高温、高光强等C4相关环境和高CO2浓度的环境中比叶片有光合优势。
  对油菜和MS的系统比较分析表明,MS叶片维管束密度显著高于油菜叶片,且在叶片内形成类似“花环”结构。MS叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度等光合参数均高于油菜,C4关键酶PEPC、NADP-MDH和NADP-ME的活性也都高于油菜。MS叶片的这一系列优良光合特性可以为油菜光合作用改良提供参考。
  干旱和高温被认为是光合作用进化到CA的主要动力,因此比较了油菜和MS干旱和高温胁迫后的光合作用相关性状。结果表明,干旱胁迫5天后MS维管束鞘细胞内叶绿体明显增多,维管束密度有所增加,说明一定程度的干旱促进了MS叶片形态结构向C4结构转变,但油菜叶片中未出现此类特征。干旱和高温胁迫后MS叶片光合参数和叶绿素荧光参数变化较小,植株和叶片的损伤也较小,而油菜叶片变化较大,尤其是高温胁迫造成了油菜叶片光合系统的不可逆破坏。说明MS有较强的抗逆能力和更高的光合作用可塑性。干旱胁迫后MS叶片的C3关键酶Rubisco和CA关键酶NADP-ME活性升高,一定程度的干旱和高温胁迫后油菜叶片C4关键酶PEPC和NADP-MDH活性也升高。以上这些结果为下一步转录组比较后的关键基因挖掘提供了基础。
  通过干旱、高温胁迫前后油菜和MS叶片转录组的比较分析,得到了大量的差异表达基因。干旱和高温双因素条件的设置,结合前期二者形态解剖及光合生理生化的研究,初步筛选了26个与目标性状相关的调控类候选基因,这些基因将为油菜光合作用的分子改良奠定基础。

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