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生长素及生长素-乙烯互作调控番茄果实成熟的效应与机理

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摘要

缩略语表(Abbreviation)

第一章 绪论

1.1 果实成熟衰老及其分子调控机理

1.1.1 果实成熟过程中色泽的变化

1.1.2 果实成熟过程中质构的变化

1.1.3 果实成熟过程中糖类、酸类物质的变化

1.1.4 果实成熟的转录调控机理

1.2 乙烯的生物合成、信号转导及其调控过程

1.2.1 乙烯的合成

1.2.2 乙烯信号的转导

1.2.3 乙烯合成及信号转导的调控

1.3 生长素的代谢、信号转导及其调控过程

1.3.1 生长素的合成与运输

1.3.2 生长素的信号转导

1.4 生长素与乙烯的互作

1.5 研究目的与意义

第二章:外源生长素处理对番茄果实成熟的影响及其转录组分析

2.1 材料与方法

2.1.1 植物材料与激素处理

2.1.2 果实色泽及硬度检测

2.1.3 乙烯释放速率检测

2.1.4 ACO活性检测

2.1.5 番茄果实测序文库构建与lllumina测序

2.1.6 转录组分析

2.1.7 RT-qPCR试验

2.1.8 相关关系网络分析与统计学分析

2.2 结果与分析

2.2.1 外源生长素处理对采后番茄果实色泽、质地及乙烯合成的影响

2.2.2 转录组测序数据质量分析

2.2.3 GO富集分析与KEGG代谢通路富集分析

2.2.4 乙烯合成与信号转导途径的基因表达分析

2.2.5 生长素合成及信号转导途径的差异表达基因

2.2.6 类胡萝卜素代谢途径的差异表达基因

2.2.7 细胞壁降解途径的差异表达基因

2.2.8 能量代谢途径的差异表达基因

2.2.9 RT-qPCR验证转录组测序数据

2.3 讨论

2.4 章节小结

第三章:外源生长素处理对番茄果实色素代谢的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 植物材料与激素处理

3.1.2 叶绿素含量的测定

3.1.3 β-胡萝卜素,番茄红素,芦丁的含量测定

3.1.4 总酚与总黄酮含量的测定

3.1.5 基因表达量的测定

3.1.6 统计学分析

3.2 结果与分析

3.2.1 外源生长素对成熟过程中番茄果实叶绿素含量的影响

3.2.2 外源生长素对成熟过程中番茄果实色素含量的影响

3.2.3 外源生长素对成熟过程中番茄果实总酚与总黄酮含量的影响

3.2.4 外源生长素对成熟过程中番茄色素代谢相关基因及关键的成熟相关转录因子基因表达量的影响

3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章:外源生长素处理对番茄果实初级代谢组成分的影响

4.1 材料与方法

4.1.1 植物材料

4.1.2 激素处理

4.1.3 GC-MS法检测番茄果实初级代谢组成分变化

4.1.4 统计学分析

4.2 结果与分析

4.2.1 不同样品初级代谢组成分数据的主成份分析

4.2.2 外源生长素对番茄果实氨基酸的影响

4.2.3 外源生长素对番茄果实碳水化合物及其衍生成分的影响

4.2.4 外源生长素对番茄果实有机酸及有机酸酯的影响

4.2 讨论

第五章:高通量测序研究番茄果实成熟过程中生长素与乙烯的互作

5.1 材料与方法

5.1.1 植物材料与激素处理

5.1.2 乙烯与生长素含量检测

5.1.4 测序数据分析

5.1.5 RT-qPCR试验

5.1.6 数据分析

5.2 结果与分析

5.2.1 外源乙烯、生长素以及联合处理对番茄果实成熟进程、乙烯合成以及内源生长素含量的影响

5.2.2 转录组数据的整体分析

5.2.3 受生长素调控的转录因子及激素相关差异表达基因

5.2.4 受乙烯调控的转录因子及激素相关差异表达基因

5.2.5 受生长素+乙烯联合处理调控的转录因子及激素相关差异表达基因

5.2.6 生长素与乙烯共同上调或共同下调表达的差异基因

5.2.7 生长素与乙烯调控作用相反的差异基因

5.3 讨论

5.3.1 乙烯对生长素代谢、运输以及信号转导的调控

5.3.2 生长素对乙烯代谢及信号转导的调控

5.3.4 参与生长素-乙烯互作的关键基因

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

作者简历及与科研成果

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摘要

番茄果实的成熟是一个复杂的高度协调的过程,并受多种植物激素调控。乙烯对番茄果实成熟进程的调控研究已有很多报道。然而生长素对果实成熟调控的分子机理则研究较少。此外,在番茄成熟过程中生长素与乙烯的互作网络及其在成熟进程中发挥的作用目前仍不明确。因此本研究使用外源生长素与乙烯利处理采后绿熟期的樱桃番茄果实,并通过RNA-Seq等手段来研究生长素对番茄果实成熟过程的早期及长期影响、对果实色素代谢的影响、对番茄代谢组的影响以及果实成熟过程中生长素-乙烯互作网络。研究结果表明:
  1.外源生长素处理上调了番茄果实中生长素相关基因(15个AUX/IAA基因,4个GH3基因,1个SAUR基因)、GST基因以及胁迫相关转录因子的表达,并且提高大量抗逆性相关的基因的表达量,减轻高浓度生长素胁迫并维持细胞内生长素的动态平衡。随后,外源生长素提升了系统1乙烯合成相关基因的转录丰度,并且维持了细胞核内基因组的高甲基化水平来抑制系统2乙烯合成相关的基因的表达。同时,类胡萝卜素代谢、细胞壁降解、能量代谢等通路上的相关基因的表达水平也被抑制,最终导致果实成熟进程的推迟。此外,许多乙烯合成及信号转导途径的基因的表达模式能被外源生长素干扰;相关关系网络分析也显示生长素相关基因与乙烯相关基因之间存在显著的相关关系,这表明番茄果实成熟过程中生长素与乙烯之间存在明显的交互作用。
  2.外源生长素处理能够强烈影响番茄果实色素、总酚及总黄酮的的积累与代谢进程,但对这些物质在最终成熟的果实中的含量的影响并不明显。基因表达分析结果显示,在果实成熟的早期及中期,生长素能够显著影响色素代谢途径以及其调控相关基因的表达量,随着成熟进程的推进,生长素对这些基因的调控作用逐渐减弱甚至消失。对影响番茄果实色素积累的转录因子的表达谱分析显示SlRIN、SlCNR、SlGLK2、SlARF与SlAP2a可能参与了生长素对番茄果实色素代谢的调控,而SlGR则很可能没有参与该过程。
  3.在成熟前施加外源生长素处理能够显著改变番茄果实氨基酸、糖类及有机酸的积累过程,并且这种改变在成熟的最终阶段并不能完全恢复。番茄果实中柠檬酸、苏糖酸以及琥珀酸的含量受外源生长素处理提升,而甘氨酸与天冬氨酸的积累则被生长素抑制。
  4.乙烯处理能够通过改变生长素运输载体编码基因及生长素初级响应基因的表达模式来调节生长素的运输及信号转导过程。而生长素对乙烯代谢(ACS2,ACS4,ACS6,6个ACO基因)及信号途径中基因(ETR,EBF与ERF基因)的表达调控大多出现在处理后第7天。MAPK基因与泛素化过程相关基因的表达也受外源生长素处理影响。表明生长素对乙烯的调控机制十分复杂。此外通过表达量受生长素与乙烯共同调控的基因进行差异分析,我们还筛选出了生长素-乙烯互作的关键互作点,并建立了一个番茄成熟过程中生长素-乙烯互作的初步模型。

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