基于组学方法研究西藏野生大麦特异种质的耐铝机制

Aluminum (Al) toxicity has been considered as a major constraint for plant growth and production on acid soils. It is imperative to improve the Al tolerance of plant for the promotion of the land resource utilization. Tibetan wild barley (Hordeum spontaneum), a rare and unique plant germplasm in China, gradually develops abiotic stress tolerance due to its long-term coexisting with harsh environments. In our previous studies, Al tolerances of Tibetan wild accessions were evaluated, and the Al-tolerant genotypes have been identified. However, Al tolerance of the wild barley genotypes could not be explained by the current Al-tolerant theory found in cultivated barley. In order to unravel the specific Al-tolerant mechanism in wild barley, multiple plant ‘omics’ methods will be applied to analyze the genotypic differences in response to Al stress between wild and cultivated barleys. The main contents are as follows: (1) using ionic chromatography (IC) technique to study the genotypic differences in root exudates under Al stress; (2) using RNA-Seq technique to compare transcriptional difference, and to identify differentially expressed genes; (3) using gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS) technique to compare metabolic difference and to study the changes of metabolites and metabolic pathways in response to Al stress. The objectives of this work are to systematically unravel the response to Al stress in ‘genes – metabolites’ level, and to reveal the physiological and molecular mechanisms of Al tolerance in Tibetan wild barley, which will be helpful for plant breeding on developing barley cultivars with Al tolerance.

铝毒是酸性土壤上限制作物生长的主要毒害因子，提高作物耐酸铝能力对于促进土壤资源利用具有重大意义。西藏野生大麦是我国独有的珍稀种质资源，由于长期生长在恶劣的生态环境下，逐渐形成了相适应的抗逆机制。在前期工作中，我们鉴定得到了西藏野生大麦耐铝种质，而现有的栽培大麦耐铝理论不能解释其耐铝机制。为了阐明其特异的耐铝机制，本项目拟采用组学方法，分析和比较野生和栽培大麦根尖组织在转录组和代谢组水平对铝毒胁迫的响应差异，主要研究内容有：（1）采用离子色谱技术，研究根系分泌物组分及其含量的变化；（2）采用RNA-Seq技术，研究转录组的响应差异，鉴定耐铝相关基因及基因网络；（3）采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，研究代谢组的响应差异和铝毒胁迫对代谢物和代谢通路的影响。本项目可望阐明铝毒耐性相关的“基因-代谢产物”的分子生理途径，揭示野生大麦特异的耐铝毒生理分子机制，为大麦耐铝育种实践提供理论指导。

铝毒是酸性土壤限制作物生长的主要限制因子，而大麦（Hordeum vulgare）是谷类作物中对铝毒胁迫较为敏感的作物，改良大麦的铝毒耐性对提高酸土上的大麦产量和品质具有重要意义。我们从110份西藏野生大麦种质中鉴定得到优异的耐铝种质XZ28和XZ29，利用微电极离子流测定技术（MIFE）、二次离子质谱（SIMS）、激光共聚焦成像技术（Confocal）和组学手段等多种前沿技术，揭示了西藏野生大麦的耐铝机制。主要结果如下：（1）利用微电极离子流测定技术，研究发现铝毒处理诱导增加XZ29根系伸长区HPO42-的外排，螯合根系铝离子，减少铝离子进入根系组织。（2） 利用二次离子质谱和激光共聚焦成像技术研究铝和磷元素在根尖不同区域的含量和分布，研究发现XZ29磷酸盐固定铝离子在根成熟区表皮细胞，从而阻止铝离子进入皮层细胞。（3）利用气质联用技术，研究发现维持相对较高的磷酸糖类含量，从而维持正常的糖酵解途径代谢水平，是XZ29耐铝的生理基础。（4） 利用高分辨率液质联用技术，研究发现次生代谢物羟基肉桂酸酰胺及其代谢产物大麦亭含量响应铝毒胁迫急剧增加，为研究酚类物质和细胞壁组分在大麦耐铝机制中的作用提供了新的线索。（5） 利用转录组学技术，绘制了铝毒胁迫下大麦根系的转录组剖面，找到一些响应铝毒胁迫的转录因子、激酶等信号转导途径的因子，分析苯丙烷途径和细胞壁修饰的通路基因对铝毒胁迫的响应。本研究结果为揭示大麦耐铝毒机理提供重要的理论参考，耐铝毒野生大麦种质XZ29可为大麦及其它作物的耐铝毒育种提供优异的耐铝毒基因资源。