重金属镉与复合盐碱胁迫下入侵植物黄顶菊DNA表观遗传变异特征与生理生态响应

论文摘要

为探究入侵植物黄顶菊（Flaveria bidentis）在非生物胁迫生境下的耐受性,本研究选取重金属镉（Cd）污染与复合盐碱胁迫两种典型生境,通过网室盆栽试验分别模拟2、4和8 mg·kg-1三种浓度的镉污染生境,以及盐浓度均为150 mmol·L-1,pH分别为7.50、8.22、8.96和9.63的盐碱污染生境,通过测定不同处理下黄顶菊的生长及生理生态指标分别研究其对两种胁迫生境的可塑性反应,利用甲基化敏感扩增多态性（Methylation Sensitive Amplification Polymorphism,MSAP）技术对不同处理下黄顶菊叶片基因组DNA甲基化变异特征进行分析,并进一步探索黄顶菊表型可塑性与表观遗传变异之间的相关性,相关研究结论将为入侵植物黄顶菊的生态适应性机理的阐明和深入理解植物的入侵性提供重要的理论依据。主要的研究内容和结果如下:1.黄顶菊在低中浓度Cd污染下有较强的耐受性,而高浓度Cd污染下植物的调节能力减弱。对黄顶菊生长指标测定发现Cd浓度小于4 mg·kg-1时,黄顶菊株高、根长和生物量变化不显著,而达到8 mg·kg-1时与对照组相比显著降低,生长发育受到显著的抑制作用。对其保护酶活性研究发现超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）三种酶活性随着Cd浓度的升高呈现先升高后降低的趋势,但均高于对照组,说明植物保护酶对Cd的调节能力有限。黄顶菊各组织Cd含量测定发现Cd浓度的升高抑制黄顶菊对其富集与转移的能力,Cd在黄顶菊植株体内含量表现出根>叶>茎的规律,随着Cd浓度的升高,地上部富集系数与根部富集系数均呈现先升高后降低的趋势,均在Cd浓度为4 mg·kg-1时达到最大值,且高浓度Cd污染降低了黄顶菊的转移系数与耐性指数。表型可塑性研究发现黄顶菊主要通过维持根和叶生物量过程积累营养物质,并通过调节Cd在体内的积累适应重金属污染生境。2.黄顶菊对低pH的复合盐碱生境有一定的耐受性。对黄顶菊生长指标及光合生理指标测定,发现高pH抑制黄顶菊株高、根长及生物量,低pH下复合盐碱胁迫促进黄顶菊光合作用,pH达到9.53时净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均受到显著抑制。保护酶活性研究表明初期黄顶菊主要通过SOD和POD酶清除活性氧,后期通过CAT进行调节。对黄顶菊叶片渗透调节物质测定发现pH在7.50-8.96之间的复合盐碱胁迫下游离脯氨酸对膜系统起到了一定的保护作用,叶片的可溶性糖对盐碱环境较为敏感。盐碱胁迫下黄顶菊根生物量、气孔导度、电解质外渗率和游离脯氨酸的表型可塑性指数较高（PPI>0.5）,表明黄顶菊主要通过改变根生物量以及控制气孔开度吸收并积累营养物质,并通过电解质外渗率与游离脯氨酸含量平衡细胞渗透压。3.重金属Cd胁迫下,筛选的15对引物共扩增出726条条带,黄顶菊叶片全甲基化与整体甲基化水平升高,且以重新甲基化变异模式为主。表型可塑性与表观遗传相关性分析的结果表明,DNA全甲基化和整体甲基化水平与黄顶菊生长指标及地上部耐受性指数的表型可塑性呈显著负相关,与抗氧化酶活性、各组织Cd含量及富集与转移系数呈显著正相关。复合盐碱胁迫下,筛选15对引物共扩增出585条条带,叶片半甲基化水平升高,且主要以去甲基化变异模式为主,DNA全甲基化水平的升高诱导黄顶菊生长指标与光合指标表型可塑性的升高促进有机物质的积累,半甲基化水平升高诱导可溶性蛋白与电解质外渗率表型可塑性的升高调节渗透胁迫,控制细胞渗透压平衡。

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摘要

Abstract

前言

第一章表观遗传学与外来入侵植物生态适应性研究概况

1.1 基因组表观遗传变异与入侵植物的生态适应性

1.1.1 植物入侵的生态适应性策略简介

1.1.2 表观遗传学研究现状

1.1.3 表型可塑性与入侵植物的生态适应性

1.2 DNA甲基化在表观遗传学研究中的应用

1.2.1 DNA甲基化简介

1.2.2 DNA甲基化与入侵植物的生态适应性

1.3 外来植物主要入侵生境及其适应性机制分析

1.3.1 重金属污染生境与植物的入侵性

1.3.2 复合盐碱胁迫与植物的入侵性

1.3.3 植物对重金属污染和盐碱胁迫生境的耐受机制

1.4 研究目的与意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的与意义

1.4.3 技术路线

第二章重金属镉胁迫下入侵植物黄顶菊生理生态响应分析

2.1 试验区概况

2.2 试验设计

2.3 试验样本采集与测定

2.3.1 生长指标的测定

2.3.2 生物量测定

2.3.3 保护酶活性测定

2.3.4 黄顶菊各组织重金属镉含量及富集转移系数计算

2.3.5 黄顶菊各指标表型可塑性

2.4 试验数据统计与分析

2.5 结果与分析

2.5.1 重金属胁迫处理对黄顶菊生长及生物量的影响

2.5.2 重金属胁迫处理对黄顶菊抗氧化酶活性及丙二醛含量的影响

2.5.3 重金属胁迫处理对黄顶菊根部活性氧的影响

2.5.4 黄顶菊各组织Cd含量及富集与转移特征

2.5.5 重金属胁迫处理对黄顶菊表型可塑性指数的影响

2.6 讨论

2.7 小结

第三章复合盐碱胁迫下入侵植物黄顶菊生理生态响应分析

3.1 试验区概况

3.2 试验设计

3.3 试验样本采集与测定

3.3.1 生长指标及生物量的测定

3.3.2 光合指标的测定

3.3.3 保护酶活性的测定

3.3.4 渗透调节物质的测定

3.3.5 表型可塑性指数的测定

3.4 试验数据统计与分析

3.5 结果与分析

3.5.1 复合盐碱胁迫对黄顶菊生长指标及生物量的影响

3.5.2 复合盐碱胁迫对黄顶菊光合指标的影响

3.5.3 复合盐碱胁迫下黄顶菊抗氧化酶活性变化特征

3.5.4 复合盐碱胁迫对黄顶菊叶片渗透调节物质影响

3.5.5 盐碱胁迫处理对黄顶菊表型可塑性指数的影响

3.6 讨论

3.7 小结

第四章重金属镉和复合盐碱胁迫下入侵植物黄顶菊表观遗传变异分析

4.1 试验样品采集

4.2 植物基因组DNA提取及纯度含量测定

4.3 MSAP体系建立与优化

4.4 聚丙烯酰胺凝胶电泳及银染

4.5 试验数据统计与分析

4.6 结果与分析

4.6.1 不同胁迫处理下黄顶菊叶片DNA提取及MSAP体系建立

4.6.2 不同胁迫处理下黄顶菊叶片变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测

4.6.3 不同胁迫处理下黄顶菊叶片引物扩增信息

4.6.4 重金属镉胁迫下入侵植物黄顶菊表观遗传变异分析

4.6.5 复合盐碱胁迫下入侵植物黄顶菊表观遗传变异分析

4.7 讨论

4.8 小结

第五章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张思宇

导师: 王慧

关键词: 重金属镉,复合盐碱,黄顶菊,生态响应,表观遗传

来源: 沈阳农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用

单位: 沈阳农业大学

分类号: X503.23;Q94

DOI: 10.27327/d.cnki.gshnu.2019.000440

总页数: 71

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重金属镉与复合盐碱胁迫下入侵植物黄顶菊DNA表观遗传变异特征与生理生态响应

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