遮陰處理下睡蓮‘甘娜’葉片轉(zhuǎn)錄組分析

摘要：本研究對(duì)遮陰處理和自然光照下睡蓮‘甘娜’葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，以揭示遮陰對(duì)其葉片發(fā)育的影響機(jī)制。結(jié)果表明，遮陰處理下共篩選得到I 303個(gè)差異表達(dá)基因，其中558個(gè)基因上調(diào)，745個(gè)基因下調(diào)；GO功能注釋分析發(fā)現(xiàn)，遮陰處理會(huì)在細(xì)胞發(fā)育和次生代謝等方面造成影響；KEGG通路注釋與富集分析結(jié)果表明，遮陰處理會(huì)影響次生代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞壁生物合成以及光合作用等信號(hào)通路的表達(dá)。差異表達(dá)基因篩選結(jié)果顯示，遮陰條件下睡蓮葉片生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的AUXI/IAX、SAUR、IAA基因，光合作用途徑中的psbR、LHCB4、LHCB1基因，代謝途徑中的CHS、4CL等基因，細(xì)胞壁發(fā)育中的CFPT、TUBA、CESA等基因以及光受體的基因如HY5、RFWD2、COP1等都存在顯著差異表達(dá)。這表明遮陰處理下，睡蓮葉片通過限制細(xì)胞壁生長(zhǎng)，影響光吸收能力，調(diào)節(jié)初生以及次生代謝途徑，調(diào)控對(duì)生長(zhǎng)素的響應(yīng)和光信號(hào)傳導(dǎo)，以及調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境變化，維持正常生長(zhǎng)和生理功能。

關(guān)鍵詞：遮陰；睡蓮‘甘娜’；轉(zhuǎn)錄組；代謝途徑

中圖分類號(hào)：S682.32：Q781 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2025）01-0012-10

睡蓮屬于睡蓮科（Nymphaeaceae）睡蓮屬（Nymphaea）多年生水生草本浮葉植物。睡蓮以其花色繁多、姿態(tài)優(yōu)雅、花期長(zhǎng)、易栽培、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)在園林設(shè)計(jì)中備受喜愛，適用于公園及家庭水面裝飾。同時(shí)小微型品種也適合家庭盆栽。在家庭種植環(huán)境中，睡蓮的生長(zhǎng)常受限于光照不足或光照強(qiáng)度較弱而顯著影響其生長(zhǎng)狀況和開花數(shù)量。深入探索睡蓮在弱光環(huán)境下的耐陰性及其生理響應(yīng)機(jī)制，對(duì)于推動(dòng)微小型睡蓮的培育技術(shù)及其在園林水景中的廣泛應(yīng)用，具有重要實(shí)踐意義。

遮陰可以改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，影響植物的光合作用、養(yǎng)分的吸收和再分配等多種生理過程，以及葉片中光合產(chǎn)物的積累。植物光合作用對(duì)光強(qiáng)很敏感，光強(qiáng)過低時(shí)植物凈光合速率下降、碳水化合物合成減少，碳平衡遭到破壞。孫智超等研究表明，在弱光環(huán)境下，葉片的捕光效能顯著降低，進(jìn)一步導(dǎo)致基質(zhì)和基粒類囊體結(jié)構(gòu)的解體，相關(guān)酶活性受到抑制，光系統(tǒng)受到損傷，從而降低了植物的碳同化能力。

植物在進(jìn)化過程中，為了適應(yīng)不同光照條件，逐漸在體內(nèi)發(fā)展并完善了光受體系統(tǒng)。次生代謝產(chǎn)物是植物長(zhǎng)期為了適應(yīng)環(huán)境而生成的，次生代謝受光受體信號(hào)調(diào)控。苯丙素是植物常見的一類次生代謝產(chǎn)物，苯丙素類經(jīng)環(huán)化、氧化、還原等反應(yīng)可生成香豆素類等物質(zhì)，然后通過聚合可生成木質(zhì)素和木脂素類物質(zhì)。而在黃酮類合成途徑中，苯丙氨酸經(jīng)過一系列酶的作用先生成桂皮酸，再生成香豆酸然后經(jīng)過查爾酮合成酶（CHS）催化生成查爾酮。而查爾酮可轉(zhuǎn)化為其他類黃酮類，包括花青素等。任夢(mèng)露研究表明，不同種類的光質(zhì)、變化的光照強(qiáng)度以及光周期的信號(hào)可以通過誘導(dǎo)或限制與類黃酮合成緊密相關(guān)的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)花青素苷合成與積累的精細(xì)調(diào)控。這種調(diào)控機(jī)制在植物的光合作用及其代謝過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。木質(zhì)素是細(xì)胞壁的重要組成成分之一，而當(dāng)植物處于遮陰條件下時(shí)會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素合成相關(guān)酶活性下降。

此外，周琳等研究表明，激素作為在植物體內(nèi)的核心信號(hào)分子，具有觸發(fā)并調(diào)節(jié)多種基因轉(zhuǎn)錄路徑的功能。在光信號(hào)改變的情況下，植物內(nèi)源激素的含量也會(huì)發(fā)生不同的變化，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起重要的調(diào)控作用。韓霜等研究表明，在面臨遮陰脅迫時(shí)，植物體會(huì)通過增加生長(zhǎng)素的含量來觸發(fā)庇陰反應(yīng)，以適應(yīng)環(huán)境壓力。然而，當(dāng)遮陰程度過度時(shí)，植物體內(nèi)的生長(zhǎng)素水平會(huì)受到抑制，可能對(duì)植物生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生不利影響。

本試驗(yàn)旨在通過對(duì)睡蓮‘甘娜’實(shí)施遮陰處理，對(duì)比遮陰處理與自然光照條件下其葉片形態(tài)與功能方面的差異，并借助轉(zhuǎn)錄組分析手段，深入闡釋遮陰對(duì)睡蓮的影響及其內(nèi)在機(jī)制，為睡蓮的庭院栽培提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2023年6月20日-9月1日在信陽農(nóng)林學(xué)院園藝學(xué)院的實(shí)習(xí)基地馨園內(nèi)進(jìn)行。睡蓮品種為‘甘娜’。以盆栽方式將睡蓮置于大缸中，缸的規(guī)格為50 cmX 50 cm，確保為睡蓮提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境和穩(wěn)定的生長(zhǎng)空間。試驗(yàn)分兩組，對(duì)照組采取自然光照，試驗(yàn)組對(duì)睡蓮進(jìn)行遮陰處理，遮光度設(shè)置為60%。試驗(yàn)期間定期觀察遮陰處理下睡蓮葉片的變化，當(dāng)與對(duì)照組出現(xiàn)顯著差異時(shí)采集兩組中同一時(shí)期的成熟葉片，每組3個(gè)重復(fù)，對(duì)照組樣本標(biāo)記為X-1、X-2和X-3，遮陰組樣本標(biāo)記為Y-1、Y-2和Y-3。

1.2轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

將處理好的樣品進(jìn)行干冰保存，送至上海元莘生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行睡蓮RNA的提取和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析。使用標(biāo)準(zhǔn)的提取程序提取RNA，對(duì)樣品進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，檢測(cè)其完整性、濃度和純度，以保證文庫質(zhì)量，確定測(cè)序的結(jié)果無誤。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

通過GO、COG、KEGG等數(shù)據(jù)庫對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析及功能富集分析，利用TBtool軟件繪制基因表達(dá)熱圖。

2結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析

如表1所示，經(jīng)過嚴(yán)格的RNA質(zhì)量評(píng)估，原始序列Q30堿基百分比在93%以上，GC含量在47%以上，所有樣本的總RNA質(zhì)量均符合后續(xù)建庫與分析的標(biāo)準(zhǔn)（表1）。