基于转录组和代谢组分析揭示白菜型冬油菜适应低温胁迫机制

Brassica rapa L. cultivars can overwinter of different ecological regions in North China, those cultivars play an important role in plant industry construction adjust and preserve the ecological environment. However, the molecular mechanism of cold resistance of these varieties is not clear. In our earlier stage researches showed that the root is very important for their super cold tolerance. So this project intends to analyze the transcriptome and metabolome of the root in cold stress, to analyze the main metabolic pathways that regulate its cold stress, and to isolate and identify some key genes of cold resistance. Finally, the molecular mechanism of cold stress of Brassica rapa L. is surveyed.

本项目组选育出的“陇油7号”等陇油系列白菜型冬油菜可在北方不同生态区-32℃极端低温下正常越冬，这些品种的大面积推广应用促进了广大北方地区种植业结构调整和发展方式转变，对缓解北方春季沙尘暴频发和保护生态环境具有重要作用。但这些品种超强耐低温胁迫的分子机理尚不清楚。我们的前期研究发现，白菜型冬油菜根部的发育程度对于它们的超强耐寒能力具有至关重要的作用，在此基础之上，本项目拟对低温胁迫下的根部进行转录组和代谢组整合分析，解析调控其耐低温胁迫的主要代谢通路，并从中分离鉴定部分关键抗寒基因，最终阐明白菜型冬油菜耐低温胁迫的分子机制，为进一步开展油菜等农作物的抗寒性遗传改良提供理论依据和基因元件。

冬油菜根部转录组和代谢组分析，能有效解析调控白菜型冬油菜耐低温胁迫的主要代谢通路，并从中分离鉴定相关关键抗寒基因，阐明白菜型冬油菜耐低温胁迫的分子机制。本研究以抗寒性不同的油菜品种为材料，通过低温处理，开展了相关研究，结果表明：.1.冷胁迫下陇油7号根系FFA和绝大多数氨基酸均显著增加。抗寒性强的品种不饱和脂肪酸含量和IUFA高于弱抗寒品种。.2.研究筛选到了与脂肪酸合成和氨基酸代谢相关的基因，这些基因可能是冬油菜响应冷胁迫的功能基因。.3.在陇油7号根系鉴定到糖类、氨基酸、甘油磷酰胆碱、黄酮、磷脂等代谢物。陇油7号在低温条件下调节糖、氨基酸和磷脂类代谢水平适应环境。.4.克隆了白菜型冬油菜ELIP1基因的CDS序列。序列比对分析表明，ELIP1基因在弱抗寒品种发生突变位置少于抗寒品种；低温下，ELIP1基因在超强抗寒品种中表达显著高于抗寒性相对较弱的品种，说明ELIP1基因在冬油菜响应抗冷胁迫中具有重要作用。.5.陇油7号根中克隆到SDR基因，该序列含有714bp的完整开放阅读框，编码237aa。实时荧光定量结果显示，SDR基因可能通过下调表达来适应低温胁迫。.6.陇油7号根中克隆到FAD3基因，定量结果发现FAD3基因是通过上调表达来适应低温环境。FAD3基因主要广泛分布在细胞膜上。转拟南芥株系生理生化测定结果表明，低温胁迫下，FAD3过表达植株的抗氧化酶和渗透调节物质活性均高于野生型植株。.7.陇油7号根中克隆到ADS2基因，ADS2蛋白亚细胞定位显示该蛋白在细胞核、细胞膜有表达。目前获得ADS2基因过表达转基因油菜株系。