桔梗(Platycodon grandiflorus)是多年生草本植物,其根是常用的中药材,在新冠疫情的防治中起到了重要作用。桔梗还有食用和观赏价值,有广阔的市场前景,但长期栽培过程中出现了品种退化的问题,有迫切的种质创新和品种改良需求。物理诱变剂在植物种质创新中应用广泛,在多种作物和观赏植物中已经取得了较多新品种。大多数药用植物多年生、自交不亲和、选择育种周期长、遗传背景不清楚、基因编辑技术不成熟,制约了药用植物的品种选育。辐射诱变育种是创造遗传变异的有效方法,对物种、样品生理状态和遗传背确认细节景没有特殊限制,可极大促进药用植物种质资源开发。X射线属常规光子辐射,相比之下,重离子束辐射的传能线密度(Linear energy transfer,LET)高、相对生物学效应高,在诱变育种中表现出突变率高、突变谱广、育种周期相对短等特点。然而,不同LET辐射源对药用植物表型、生理、分子水平的影响缺乏系统分析。本研究以药用植物桔梗为辐射材料,探究了重离子束和X射线辐射对桔梗萌发率、存活率、细胞膜损伤、抗氧化酶活性、基因表达、蛋白表达、生长发育、次生代谢产物的影响;并通过生物信息学方法鉴定了桔梗过氧化物酶Ⅲ(Peroxidase classⅢ,PERs)基因家族,分析了不同辐射后PERs基因的表达模式,得到以下结果:1.使用重离子束和X射线辐照桔梗干种子,测定辐射后的萌发率、存活率、丙二醛含量、抗氧化物酶活性,使用转录组分析了两种不同LET的电离辐射对桔梗基因表达调控的影响。重离子束和X射线辐射桔梗干种子的半致死剂量(Median lethal doses,LD_(50))分别为175 Gy和264 Gy。100 Gy重离子束辐射后桔梗丙二醛含量显著升高,而X射线辐射没有影响丙二醛含量;两种辐射对过氧化氢酶活性没有显著影响;重离子束辐射后过氧化物酶活性稍有增加,超氧化物歧化酶活性无变化;X射线辐射后过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性显著降低。100Gy重离子束辐射诱发了133个差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs),X射线辐射导致了更多的DEGs(369个)。两种辐射诱发的DEGs富集在不同的代谢通路:重离子束辐射后的DEGs主要富集在蛋白激酶活性、过氧化氢、活性氧、胁迫响应通路;X射线辐射刺激了氧化还原酶、水解酶活性和碳水化合物代谢通路的基因表达。KEGG富集结果表明重离子束辐射激活了半乳糖、氨基糖和核酸糖代谢、玉米素生物合成等基因表达;X射线辐射后植物次级代谢、单萜类生物合成、淀粉和蔗糖代谢、丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路基因的表达量显著增加。重离子束辐射后有12个MAPK途径的基因差异表达,X射线诱导了29个MAPK信号转导基因表达量显著变化,说明X射线辐射诱发了更复杂的MAPK调控。2.以桔梗幼苗为辐射材料,探究两种电离辐射对桔梗基因和蛋白表达模式,以及植物生长和次生代谢物的影响。重离子束和X射线辐射桔梗幼苗的LD_(50)分别是24.6 Gy和35.8 Gy。辐射后叶面积随吸收剂量增加而减小,相同剂量下,重离子束对桔梗叶片生长的抑制作用比X射线更强。选择相同辐射效应的剂量(15 Gy重离子束和20 Gy X射线)分别辐射12天龄的桔梗幼苗,使用RNA-Seq和蛋白质组学分析两种辐照诱发的基因转录和蛋白质表达调控。重离子束辐射诱发的DEGs数目少于X射线组,但重离子束辐射诱发了更多的差异蛋白。重离子束和X射线辐射均激活了RNA沉默、双链断裂修复、细胞分解代谢基因;DNA复制和细胞周期相关基因下调。重离子束辐genetic clinic efficiency射后细胞壁和外部包裹结构组织基因上调;而X射线辐射后蛋白质折叠和葡聚糖生物合成基因的表达量升高。蛋白富集分析发现重离子束辐射后的差异蛋白富集在光合作用和次生代谢产物生物合成途径,而X射线辐射后的差异蛋白富集在乙醛酸、二羧酸和碳代谢途径。重离子束和X射线辐射后桔梗抗氧化系统和萜类、聚酮类代谢途径的基因呈现出不同的表达模式。X射线辐射后起精准修复作用的同源重组途径富集,而重离子束辐射后容易产生突变的非同源末端连接途径富集。此外,5-15 Gy的重离子束和10-30 Gy的X射线促进了桔梗提前开花,并造成了花瓣数量和柱头数量变异,重离子束辐射还造成了雄性不育和萼片颜色变异。3.为探究PERs基因家族在桔梗响应不同品质电离辐射中的作用,我们鉴定了桔梗的PERs(Pg PERs)家族成员并分析了重离子束和X射线辐射处理后Pg PERs基因的表达调控。通过序列比对、结构域鉴定和蛋白保守基序分析获得53个Pg PERs。其蛋白序列长度主要分布在258～621之间,多数是碱性蛋白。启动子区调控元件分析说明Pg PERs启动子区存在多个与生长发育、植物激素和逆境胁迫相关的顺式作用元件。根据进化分析,Pg PERs基因家族主要分为5个簇,与拟南芥过氧化物酶Ⅲ(At PERs)有29对共线性关系。重离子束导致了6个Pg PERs上调表达,而X射线诱发了8个Pg PERs下调表达,这些差异基因编码的蛋白质二级结构以α-螺旋和无规则卷曲为主,三级结构的相似度高,并含有跨膜螺旋。综上所述,重离子束辐射桔梗的LD_(50)低于X射线,诱发了更多类型的表型变异,相对生物学效应大于X射线。重离子束辐射诱发了更少的差异基因和更多的差异蛋S63845溶解度白,两种辐射诱发了桔梗不同代谢通路基因和蛋白的响应。重离子束辐射后主要的修复途径是非同源末端连接,易引入错误而产生突变,是导致重离子束突变频率高的原因。这些研究结果为桔梗及其他药用植物的辐射育种提供了理论依据。