【摘 要】
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红树林生境的主要特征是高盐、水淹和低氧等。为了在这样的海岸潮间带生境下生存,红树植物需要进化出各种耐受机制以适应高盐、水淹生境的危害,成功定植并占据相应的潮间带生境。本研究针对以上科学问题,以红树植物秋茄(Kandelia obovata)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)和其陆生近缘种虾膜花(Acanthus mollis)为实验材料,运用多组学的技术和方法,从生理学、生物化学
【基金项目】
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科技部国家重点研发计划(2017YFC0506102); 国家自然科学基金(31570586,31870581); 中科院南京土壤研究所实验室开放基金(Y412201449); 中国博士后科学基金(2012M521278)
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红树林生境的主要特征是高盐、水淹和低氧等。为了在这样的海岸潮间带生境下生存,红树植物需要进化出各种耐受机制以适应高盐、水淹生境的危害,成功定植并占据相应的潮间带生境。本研究针对以上科学问题,以红树植物秋茄(Kandelia obovata)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)和其陆生近缘种虾膜花(Acanthus mollis)为实验材料,运用多组学的技术和方法,从生理学、生物化学、蛋白质组学、转录组学等不同角度,探讨研究了红树植物的耐盐机制和水淹适应机理。主要成果如下:1.秋茄(Kandelia obovata)是中国东南沿海滩涂的主要红树物种。本研究从植物生理学和蛋白质组学的角度,探讨H2S对秋茄耐盐性的可能调控机制。(1)施加外源H2S,通过增加高盐处理下秋茄叶绿素合成途径中关键酶粪卟啉原Ⅲ氧化酶(CPXⅢ)的丰度,从而增加叶绿素的合成,提高光合能力;同时增加卡尔文循环中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)的蛋白丰度,促进光合效率,促进碳同化过程,增加秋茄叶片的生物量。(2)施加外源H2S,通过提高高盐处理下秋茄叶绿体中抗氧化酶和细胞质中抗坏血酸过氧化物酶活性、增加蛋白质的合成,降低调控植物细胞程序化死亡的关键蛋白酶半胱氨酸蛋白酶(CP)的表达,进而增强秋茄对高盐的耐受能力。(3)高盐下施加外源H2S,通过增强糖酵解过程和ATP合酶相关蛋白的丰度,提高秋茄植物能量累积,增强秋茄在高盐下的能量供应。(4)高盐下施加外源H2S,通过谷氨酰胺合成酶蛋白丰度的增加,促进植物体内如GSH等含氮化合物的合成。(5)高盐下施加外源H2S,可以降低乙烯合成关键蛋白1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶(ACS)丰度,减少植物体内乙烯合成,同时增加NDPK富集,维持细胞体内核苷酸代谢平衡,增加生物体内能量供应,缓解高盐对核苷代谢产生的影响,增强秋茄对高盐的耐受能力。2.以老鼠簕(Acanthus ilicifolius)及其近缘种虾膜花(Acanthus mollis)为实验材料,结合蛋白质组学、转录组学和相关生理指标测定等实验手段,探究近缘种对水淹处理的耐受性差异,以期了解红树植物适应潮间带环境的分子机制。(1)老鼠簕叶片中卡尔文循环相关的蛋白丰度增加,提高CO2的利用率和同化效率提高,与TCA循环一起为植物体供应更多的能量,胁迫响应相关蛋白丰度也出现上调表达(APX和SOD),及时清除非生物胁迫和光合产生的过剩活性氧,提高老鼠簕对水淹的适应性;而在虾膜花叶片中,与能量供应相关的代谢途径在水淹胁迫下受到抑制,同时其它的生物学过程也受到抑制,增加了虾膜花对水淹胁迫的敏感度。(2)老鼠簕根系在感受水淹引起的厌氧信号后,通过增加植物体内单糖和多糖的含量和WRKY转录因子的表达量,维持葡萄糖的代谢、转运和糖信号的响应;增强苯丙烷、类黄酮代谢途径和抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环相关基因的表达,防止根系内部O2的损失,及时清除多余的活性氧,提高老鼠簕对水淹的适应能力;同时,乙烯的合成和钾离子通道相关基因的表达量和蛋白丰度也出现增加。(3)虾膜花根系在感受水淹引起的厌氧信号后,植物体内单糖和多糖的含量降低,糖酵解产生的丙酮酸的主要流向不再是三羧酸,而是乙醇发酵途径,根系中乙醇含量增加,对细胞质膜产生伤害;钾离子通道基因受到抑制,不利于维持植物体内钾离子平衡;同时,与抗氧化相关的蛋白丰度下调,产生的过剩活性氧无法得到及时清除,对植物体造成应激损伤。
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