甜瓜对淹水胁迫的生理分子响应及相关基因挖掘

Melon (Cucumis melon L.) is one of the most economically important and widely cultivated crops in China. In East China monsoon region, floods occurs frequently and results in reduction in melon production. Knowledge about the physiological and molecular mechanism of waterlogging tolerance is useful for melon breeding. Here two inbred lines, M19（waterlogging tolerant）and M63 (waterlogging susceptible), were selected for this study. Changes on anatomical, physiological, biochemical and transcriptional levels under waterlogging in melon will be investigated. Genes associated with waterlogging tolerance may be found and cloned. Functional identification of several genes will also be proceeded. The implement of the project will be helpful for elaborating the physiological and molecular mechanism of waterlogging tolerance in melon and be beneficial for melon breeding.

甜瓜是具有重要经济价值的葫芦科作物，在我国栽培广泛。由于我国东部广大季风区洪涝灾害频繁发生，甜瓜生产经常遭受严重危害,迫切需要培育耐涝优良甜瓜品种以满足生产需求。开展甜瓜耐涝性机理研究对甜瓜耐涝优良新品种的培育具有重要意义。课题组在前期研究中发现甜瓜种内存在耐涝性变异，并筛选出耐涝性差异较大的M19（耐涝型）和M63（涝敏感型）两份甜瓜材料。本研究计划利用M19和M63幼苗为主要研究材料，在人工淹水条件下，从解剖结构、生理生化特征等层次分析耐涝型甜瓜和涝敏感型甜瓜应对淹水胁迫的生理响应差异，采用表达谱测序技术（RNA-seq）从转录水平研究耐涝型甜瓜和涝敏感型甜瓜应对淹水胁迫的分子响应差异，筛选耐涝相关候选基因，并初步鉴定部分候选基因的功能。本项目的实施将有助于加深对甜瓜耐涝生理和分子机理的理解，丰富甜瓜耐涝相关理论，为挖掘甜瓜耐涝相关基因和培育耐涝优良品种奠定一定的理论基础。

甜瓜（Cucumis melo L.）在生长期间易受雨涝危害，开展甜瓜耐涝性机理研究对甜瓜耐涝优良新品种的培育具有重要意义。本项目以M19（耐涝型） 和M63（涝敏感型）为研究材料，利用RNA-Seq和QRT-PCR技术研究了淹水条件下根系转录组的变化，结合传统生理手段测定了生理生化等参数， 提出了耐涝型甜瓜‘M19’适应淹水胁迫的分子生理模型：淹水胁迫初期，甜瓜‘M19’幼苗能比‘M63’快速感应淹水胁迫，调整生长和物质运输策略，生物量积累减缓，根系和下胚轴中蔗糖、葡萄糖和果糖快速积累，糖酵解发酵途径代谢酶活性增高，为根系生长提供能量，同时不定根迅速发生，根系获取氧气的能力增强，植株逐渐适应淹水胁迫。淹水胁迫后两个甜瓜根系中糖酵解/糖异生、淀粉和蔗糖代谢、内质网蛋白加工、苯丙氨酸代谢、苯丙烷类生物合成等代谢通路的多个基因都上调表达，主要是与逆境响应、刺激响应、磷酸转移酶活性等有关的基因。糖酵解/糖异生途径中5个转录本在两个品间的表达模式不同，可能导致2个品系在丙酮酸生成、利用，以及乳酸和乙醛等在体内的生产与代谢等方面的不同。通过RNA-Seq生物信息学分析筛选出一批耐涝候选基因。克隆了甜瓜‘M19’CmHSP83基因的CDS全长，构建了超量表达载体PTCK303- CmHSP83，并在甜瓜‘M63’中进行了遗传转化， 获得了转基因阳性植株，T1代PCR检测表明外源基因在甜瓜中得到遗传，淹水实验表明转基因株系的耐涝性提高。本项目的实施部分解析了甜瓜耐涝性的分子机制，获得了耐涝候选基因，为进一步揭示甜瓜耐涝的分子机制奠定了基础。