小麦根皮层气体通道建成过程中活性氧与细胞自噬相互调控机制及对细胞存活影响研究

Based on the previous studies of programmed cell death and aerenchyma formation induced by waterlogging in root cortex of wheat, this project uses multidisciplinary techniques to further explore the theoretical mechanism of aerenchyma formation in wheat root under waterlogging. It includes the following contents: ① Monitoring ROS dynamic changes in different cortical cells and analyzing of the autophagy process and mitochondrial autophagy structure characteristics from microscopic and ultrastructural levels. ② The cortical cells are divided into 2 types: I and II. The transcription and translation levels of autophagy related genes (TaATG4, 6 and 8) in 2 types of cortical cells were studied using LM and molecular biology techniques, and their roles in the process of autophagy were analyzed. ③ We focused on the mechanism of ROS on the regulation of autophagy and the negative regulation of autophagy on ROS in different cortical cells. We analyzed the above differences in regulating root cell survival, establishing aerenchyma and affecting the moisture tolerance of wheat varieties. ④ Preliminary exploration of the signal regulation between autophagy and the formation of root aerenchyma. ⑤ The relationship between Wheat waterlogging tolerance and autophagy will be explored to provide a theoretical basis for the study of wheat resistance to abiotic stress.

在前期研究淹水诱导小麦根皮层细胞编程性死亡和通气组织建成的基础上，项目利用多学科技术手段进一步深入研究淹水胁迫下小麦根通气组织建成的理论机制。包括：①从显微和超微结构水平检测不同皮层细胞ROS变化，分析自噬发生过程和线粒体自噬的结构特征；②将皮层细胞分为Ⅰ和Ⅱ２种类型，利用LM技术和分子生物学相关技术，分别对２种类型皮层细胞进行自噬相关基因（TaATG4、6和8等）转录和翻译水平的研究，并分析它们在自噬发生过程中的作用。③重点研究不同皮层细胞ROS对自噬促进作用和自噬对ROS的负调控机理差异；分析上述差异在调控根细胞存活，建成通气组织和影响小麦品种耐湿性过程中的作用。④初步探明自噬与根通气组织建成之间的信号调控途径；⑤分析品种耐湿性与自噬关系，为小麦抗逆境研究提供理论依据。

本项目从小麦根皮层和中柱ROS积累与细胞自噬调控关系的角度探寻了小麦抗淹水胁迫的理论机制，以及该机制对根不同细胞命运的影响，分析了该差异与品种耐湿性关系。.主要结果如下：1）小麦进行淹水处理造成的低氧胁迫对华麦9号影响华麦8号要大；淹水会导致根细胞活力下降。2）淹水胁迫诱导两个品种根ROS，以及ROS的主要成分H2O2和O2-积累；中柱较皮层积累更显著，品种间无明显差异性。淹水胁迫下交替氧化酶（AOX）途径和抗氧化酶系统对淹水导致的ROS积累具有一定的清除作用。华麦8号对ROS清除能力较华麦9号更强，中柱细胞ROS清除较皮层有更强。ROS积累依次促进了根中柱和皮层细胞自噬的发生，品种自噬差异主要表现在自噬结构的种类和数量上。主要自噬基因（ATG4、ATG6、ATG8a、ATG8c和ATG8h）的相对表达水平检测表明，淹水胁迫诱导了细胞自噬发生；中柱细胞自噬基因相对表达量均高于皮层细胞。3）淹水胁迫也导致线粒体内标志性蛋白降解和线粒体自噬的发生。细胞mPTP的开放及呼吸链的破坏对线粒体自噬的发生起着诱导作用。华麦8号较华麦9号有着更高的线粒体自噬发生水平。4）细胞内ROS积累与细胞自噬之间存在复杂的调控关系。在小麦遭受淹水胁迫会导致根产生大量ROS，诱导细胞自噬发生。自噬清除氧化损伤的蛋白质和细胞器，减轻ROS对细胞的损伤。另外，自噬在一定程度上影响胞内抗氧化酶基因SOD、CAT的表达，维持胞内ROS的稳态，促使细胞在低氧胁迫下存活。5）在小麦遭受淹水胁迫时ROS首先在中柱积累，中柱细胞依靠抗氧化酶系统和细胞自噬来调节ROS水平，促进中柱细胞存活。相反，皮层细胞抗氧化酶活性和自噬能力均较中柱细胞弱，随着淹水时间延长，部分皮层细胞会发生死亡，形成通气组织。