低温解除细叶百合鳞茎休眠过程中的糖代谢动态及ADP核糖基化因子的生理功能

Lily is one of the most important cut flowers in the flower markets of China. Physiological dormancy is a character of lily bulbs, so the bulbs cannot be used immediately for production of cut flowers after harvest. They must be stored at low temperature for 3-4 months to break dormancy. The bulbs without complete breaking dormancy will produce the poor quality of flower or cause blindness after planting which affects the cut flowers production and supply of lily each year. Therefore，the researches on dormancy mechanisms in bulbs have obtained widespread attention. In this research structural changes of starch granules, golgi apparatus and endoplasmic reticulum and vesicles in outer, middle, inner scales and bulb disc and apical bud cells under low temperature treatment(5℃) were studied taking bulbs of Lilium pumilum as the research materials. Then the coupling relationship among the content of starch and sugar , related enzyme activity and the expression rule of ADP-ribosylation factor were analysed which will provide research clues to physiological and molecular regulation mechanism of lily bulb dormancy, and lay a theoretical basis for improve dormancy of lily bulbs by genetic engineering methods.

百合是国内花卉市场上重要的切花之一，由于其鳞茎具有生理休眠的特性，收获后不能立即用于切花再生产，必须在冷库中贮藏3-4 个月才能打破休眠。未完全解除休眠的鳞茎种植后会影响切花质量或导致盲花出现，这影响了百合切花的周年生产和供应，为此百合鳞茎休眠机理的研究获得了广泛的关注。本研究拟以细叶百合为研究对象，在5℃低温处理条件下，人工解除鳞茎休眠。从细胞超微结构变化、生理变化和基因表达层次入手，研究休眠解除过程中百合外层、中层、内层鳞片、鳞茎盘和茎尖细胞中淀粉、高尔基体、内质网和囊泡等结构的变化特点，淀粉含量、糖类含量和相关代谢酶活性的变化动态，ADP核糖基化因子的表达特性，分析三者之间的耦联关系及与休眠的关系，为百合鳞茎休眠生理及分子机制的研究提供线索，为采用基因工程手段改良百合鳞茎休眠性奠定理论和技术基础。

项目系统全面的研究了细叶百合鳞茎在低温解除休眠过程中涉及生理生化反应和代谢过程。通过对细叶百合鳞茎休眠解除过程中超微结构的观察发现随着储藏时间的延长鳞茎内部的物质能量代谢及细胞间的交流逐渐增多，鳞茎的萌发率随着储藏时间的延长逐渐升高且萌发时间逐渐缩短，茎尖的高尔基体、内质网和囊泡变化活跃；内外层鳞片淀粉含量相近，并且随低温储藏时间延长都呈下降趋势，鳞茎盘和顶芽内淀粉含量较鳞茎内淀粉含量低，顶芽内淀粉含量在冷藏期间呈现先下降后上升再下降趋势，鳞茎盘内淀粉含量呈现先上升后下降的抛物线趋势，而可溶性糖含量在各部位总体呈现上升趋势。淀粉代谢酶及蔗糖代谢酶活性均出现明显变化，淀粉酶、淀粉磷酸化酶和蔗糖合成酶的活性随时间呈上升趋势，蔗糖磷酸合成酶活性则是先升高后降低的变化趋势。通过低温储藏期间的转录组测序分析，发现碳水化合物代谢、植物激素信号转导、能量代谢等相关差异基因的变化。许多抗氧化反应酶上调表达，调控细胞分裂和生长差异基因以上调居多，以开启分生组织有丝分裂活动同时满足鳞茎休眠解除后进行营养生长的需要；参与DNA甲基化关键酶在休眠初期以上调居多，DNA甲基化触发的转录基因沉默或许导致休眠期间生长停滞，随低温贮藏时间的延长，基因甲基化水平降低，基因差异表达也表明表观遗传调控休眠解除进程。miRNA测序分析发现大量的靶基因编码转录因子在调节植物生长发育方面具有重要作用。一些生物进程如抗氧化反应、表观遗传调控和非生物胁迫被诱导以响应低温条件；一些转录因子、植物激素信号转导、参与植物生长发育重要的酶和蛋白质被激活以解除鳞茎休眠状态； miRNA- target pairs构成了复杂的休眠调控网络，它们通过介导miRNA活性动态平衡和反馈调控、分生组织形态改变、发育和代谢、防护细胞损伤和低温环境适应等进程从而调控鳞茎休眠。对关键基因的克隆与表达分析表明LpGAD14可能通过影响囊泡运输参与细叶百合鳞茎休眠解除进程，LpSVP基因可能作为花分生组织识别阻遏物影响花芽分化，LpWRKY20参与休眠解除并具有抗旱的功能。