| 提要文摘： | 为了探讨喜阴药用植物三七对光环境的适应以及对高光敏感、低光耐受的机制，本研究通过对三七生理、生化数据测定，测得了三种不同透光率下的叶片解剖结构、光合指标、色素含量及活性氧清除相关酶类的含量，并使用Illumina高通量测序技术，对高光、中光、低光处理下的三七叶片进行转录组测序，对所得的大量转录组数据进行公共数据库序列比对、功能注释及比较转录组分析，并从中筛选出大量光保护机制相关基因，研究结果如下：
- 不同透光率下的三七，解剖结构差异显著，上表皮厚度、下表皮厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度和叶片厚度都是在透光率为34.3%的条件下最大，0.54%条件下最小，且随着光照强度的增加而增加；比叶面积在透光率为0.54%的条件下最大，透光率为8.12%条件下最小，差异显著，且呈现出随着光照强度的增加而减小。在高光照下，三七通过增加叶片厚度，减少光能捕获，避免强光伤害。
- 不同透光率影响三七的光合特征，Amax在透光率为34.3%的条件下最大；Rd在8.12%时具有最小值；LCP随着透光率增加而增加，且三个透光率差异显著；RL在透光率为0.54%条件下最小；凌晨荧光Fm、Fo、Fv /Fm都是在透光率8.12%的条件下最大，在透光率为34.3%的条件下最小，表明在低光下三七叶片遭受环境胁迫比在高光下要小。综合生物信息学数据，研究发现，透光率8.12%的情况下，三七的光合能力最强，低光条件下，通过降低RL和Rd来适应光环境，高光条件下，细胞核基因PsaD-H, K, L,N, O及PsbO-Q, Y的高表达的光保护机制来适应光环境。
- 不同透光率对三七色素影响不同，Z在透光率34.3%的条件下最大，且与透光率为8.12%和0.54%差异显著；Chla、β-Car和Chlb都是在透光率为8.12%的条件下，单位面积含量最高，均显著高于透光率为34.3%这个处理，即在高光下，叶黄素循环最强，热耗散是高光下三七的一种重要光保护机制，在8.12%透光率下光合色素含量最高，从侧面说明三七在中光下光合能力最强。
- Fv′/Fm′在高光下，大于200μmolm-2s-1的光照条件下具有最小值；34.3%的透光率下，NPQ在大于0μmolm-2s-1小于400μmolm-2s-1的光照条件下具有最小值，而F/Fm′、ETR和qP则具有最大值，表明生长在高光条件下植物的热耗散能力加强，而生长在低光下的植物为了捕获更多的光能，热耗散能力减弱；在光诱导过程中，生长在高光下三七，其Fv′/Fm′值相对与生长在低光下的三七都显著减小，表明生长在高光条件下的三七具有更强的热耗散能力。
Fm、Fv /Fm、ΦPSII、qP和ETR都是在透光率8.12%的条件下较大，说明中光条件下PSII反应中心受损较少，开放数量较多，有利于提高光能转化效率和促进电子传递，促进碳同化的高效运转和有机物的积累。
- 在抗氧化物清除系统中，APX、CAT、DHAR、MDHAR和POD活性在高光和低光下活性差异显著，生长在透光率为34.3%的活性显著高于生长在透光率为0.54%条件下的活性；SOD酶活性在8.12%透光率的情况下具有最大值，且显著高于0.54%时，和最大透光率34.3%差异不显著。说明在光保护的机制中，抗氧化物清除系统起到很大的作用。
- 基因CA1-3产生的蛋白β-Carbonic anyhdrase作用于叶绿体，β-Carbonic anyhdrase是催化可逆反应CO2和碳酸氢盐利用率的主要羟化酶。通过序列比对分析，此次获得三七差异表达基因中有2个与碳固定相关的碳酸酐酶，分别是Carbonic anyhdrase和Carbonic anyhdrase 2，这两个酶的表达量均在中光下最高。PetF产生的Plastid ferredoxin，主要调控电子传递，本结果中也注释到ferredoxin-2，在低光下，电子的传递速率较快。
- 中光条件下，光合色素含量、天线蛋白的表达量、C固定水平以及光合能力最高，进一步证实了过高光照以及过低光照不利于三七的生长。
总之，三七作为典型的喜阴植物，适度遮荫有利于其生长，植株通过多种策略适应光环境：提高形态适应策略促使其改变形态特征、叶片结构、增加比叶面积来捕获更多的光能；增加光合色素来增加光合能力；通过热耗散方式耗散过剩光能；利用活性氧清除系统，减少活性氧对光合结构的损伤，促进三七在光胁迫下的适应能力。细胞核基因PsaD-H, K, L,N, O及PsbO-Q, Y的高表达来适应高光环境。Carbonic anyhdrase、Carbonic anyhdrase 2、Plastid ferredoxin和ferredoxin-2等碳固定相关酶在中光条件下表达量较高。 |
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