箭竹根系呼吸代谢及其过程中线粒体内活性氧防御途径对干旱的响应和磷素调控

Drought is the most severe abiotic stress factor limiting plant production. Drought frequency and intensity as well as drought-hit regions are increasing in China, as inevitably has a serious impact on natural regeneration of the drought-sensitive Fargesia, resulting in the food shortage crisis of panda. However, the response of Fargesia to drought is lack of study. Furthermore, Plant root and its respiratory metabolism are affected vulnerably by soil environmental changes and play a central role in the process of plant adaptation to environmental change, whereas, little attention is given to them in woody plants. Hence, in our study, we investigated the changes of respiratory metabolism (metabolic pathways, respiratory substrates, the main metabolites, the key enzymes, etc.), mitochondrial ROS defense pathways (various energy-dissipating alternative respiratory components, antioxidant defense system, ubiquinone redox states, etc.) as well as mitochondrial structure and function (number, ultrastructure, P/O, etc.) in Fargesia root to drought and phosphorus application, which would reveal the physiological and molecular mechanism of the response of respiratory metabolism and mitochondrial ROS defense pathways in Fargesia root to drought and phosphorus regulation. These results would provide theoretical basis and practical guideline for the vegetation restoration and management of degraded panda habitat.

干旱是一种最严重的非生物胁迫因子，极大地限制了植物生产力。随着我国干旱频率和强度及受旱区域不断增加，这势必会给干旱敏感的箭竹自然更新造成严重影响，使大熊猫将面临缺食危机。然而，有关箭竹抗旱及调控的机制鲜见报道。此外，根系及其呼吸代谢极易受土壤环境变化影响，在植物适应环境变化中发挥着核心作用，但这在木本植物上很少受关注。为此，本项目以缺苞箭竹和青川箭竹根系为研究对象，利用RT-PCR等技术方法，在组织及亚细胞水平上研究干旱和施磷下箭竹根系呼吸代谢（各代谢途径、呼吸底物、主要代谢产物、关键酶等）及其过程中线粒体内活性氧防御途径（交替呼吸途径中各种耗能组分、抗氧化防御系统、泛醌库氧化还原态等）以及线粒体结构和功能（数目、超微结构、P/O等）变化，以明确箭竹根系呼吸代谢及其过程中线粒体内活性氧防御途径对干旱响应和磷素调控的生理与分子机制，为退化的大熊猫栖息地植被恢复和管理提供理论依据。

干旱极大地限制了植物的生长发育。随着我国干旱的频率、强度及区域不断增加，这势必会对作为浅根系的大熊猫主食箭竹自然更新造成严重影响，使大熊猫将面临缺食危机。然而，有关箭竹特别是其根系呼吸代谢对干旱的响应及磷素调控机制的研究却鲜见报道。为此，本项目研究了箭竹（Fargesia）根系呼吸代谢及其过程中线粒体内活性氧防御与清除途径对干旱响应和磷素调控的生理与分子机制。主要结果如下：. 1、干旱显著增加了箭竹根系超氧阴离子产生速率及过氧化氢含量，从而显著增加了其膜脂过氧化，结果使其线粒体结构受到严重破坏。然而，施磷减少了受旱箭竹根系中这两种活性氧，进而使其膜脂过氧化显著降低，结果使其线粒体受损减轻。因此，施磷减少了干旱对箭竹根系的氧化伤害。. 2、干旱降低了箭竹根系线粒体的总呼吸速率、细胞色素呼吸速率以及细胞色素氧化酶活性与其基因相对表达水平，但提高了其交替呼吸速率和交替交替氧化酶（AOX）基因相对表达水平。施磷显著提高了受旱箭竹根系AOX基因相对表达水平，但显著减缓了对其表达有促进作用的丙酮酸含量，结果提高了其线粒体交替呼吸速率。总体上，干旱显著降低了糖酵解（EMP）和三羧酸循环（TCA）这两条路径6个关键酶活性及其基因相对表达水平；而施磷却减缓了其下降，从而减轻了EMP和TCA受阻程度。此外，干旱显著增加了箭竹根系戊糖磷酸途径2个关键酶活性和基因相对表达水平，且施磷使这些增加更显著。因此，施磷能通过提高箭竹根系交替呼吸途径及戊糖磷酸途径来减轻干旱对其氧化伤害，从而提高其抗旱性。. 3、干旱总体上增加了箭竹根系线粒体中抗氧化酶活性及其基因相对表达水平，同时也增加了关键抗氧化物质含量，且总体上施磷使这些增加更显著。因此，施磷也能通过提高箭竹根系线粒体中抗氧化系统来减轻干旱对其氧化伤害，从而提高其抗旱性。. 研究结果为未来气候变化下大熊猫栖息地保护和林业生产实践提供理论依据。