低温诱导杨树生态休眠的机理

Dormancy is an important means for continuing its plant existence against abiotic stress, but the induced effects of temperature on the short day tree species, like Populus species, is not clear until now. Previous studies reported that Poplar plants would be ecodormant only after long term treatment by the combination of low temperature to growth point and growth inhibitor, while we found the plants of Populus russikki will fall into ecodormancy when the night temperature drop down to 10-12℃ during growth periods. On the base of comparison of temperature threshold and phytohormone levels acquired for ecodormancy among different poplar species, we will modify plant temperature receptors PhyBs and CBFs, the key reponse elements of low temperature, to construct different poplar germplasm with different temperature reception or sensitivity by transgene technique; and the different poplar species plant will be treated by different hormone or growth inhibitor, these plants will be tested ecodormancy sensitivity to explore the function of low temperature and phytohormone. In addition, the growth, morphological, physiological traits will be analyzed, like the capacity against low temperature, resource-flow-sink change, balance between growth and stress tolerance. These traits will be integrated with change of transcriptome and proteome profile during the induction of ecodormancy to clarify the underlying mechanism of ecodormancy and molecular basis of ecodomancy in poplar species, also to excavate the key genes for signal transduction and regulation in the ecodormancy of poplar species. Our study will furnish theoretic guidance for the introduction and breeding of woody plants against low temperature.

休眠是树木为延续其个体生存而提升抗逆能力的重要手段，但是温度对杨树等短日照休眠树种的诱导作用还不清楚。前人观察到杨树在生长临界点低温和生长抑制剂长期作用下才导致生态休眠；我们发现生长季节夜温降至10-12℃能快速诱导俄罗斯杨进入生态休眠。本研究在比较俄罗斯和其他杨树种生态休眠的温度阈值和激素水平基础上，修饰感温受体PhyBs或者低温响应关键基因CBFs，构建温度感受或响应敏感度不同的转基因杨树种质，同时采用不同激素或生长抑制剂处理不同休眠能力树种，考察温度和激素对生态休眠的作用。分析不同树种、转基因和激素处理植株在生态休眠过程中的抗低温能力、形态解剖变化、源库流及代谢动态、生长和抗逆平衡等，结合分析易休眠树种及其转基因/激素处理材料在诱导休眠过程中的转录组和蛋白质组变化，明确低温诱导杨树生态休眠的机理和分子基础，并发掘杨树生态休眠的信号转导和调控基因，为树木引种和抗低温育种提供理论指导。

不同纬度的青杨树种经过不同的光周期/温度模拟处理，发现其休眠过程受到温度的强烈调节作用：低温延缓了多数杨树种短日照诱导的休眠过程，对于部分寒冷地区树种，低温单独或者联合短日照促进其休眠进程；杨树休眠响应的种间差异来源于其栖居地的不同光温条件下的演化作用。我们分析了除ABA外的其他逆境激素对杨树休眠的作用。采用外源茉莉酸甲酯施加和杨树JA信号通路关键蛋白PtoDELLA的DELLA/GRAS结构域突变发现：茉莉酸甲酯(MeJA)对杨树休眠进程起到延缓作用。采用表油菜素内酯施加和BR合成节点PtoCPD的转化修饰发现：BR在休眠诱导作用不显著。对乙烯信号传导关键成员PtoEIN3和PtoERF1的转基因修饰发现；乙烯促进休眠的作用与PtoERF1有关而与PtoEIN3关系不大；相反，外源乙烯施用大幅度延缓了休眠（推测与剂量效应有关）。通过对低温和短日照下易休眠树种俄罗斯杨的休眠诱导/解除不同时点转录组分析，得到低温及短日照条件下的基因表达网络；基于该网络，我们筛选并转基因验证了PtoMYB99和PtoMYB80的休眠作用，发现前者延缓了休眠而后者促进了休眠作用，验证了该基因表达谱具有较高的参考价值。为进一步研究低温诱导休眠作用，对低温受体PhyB和响应关键基因CBFs进行转化修饰。我们发现PtoPhyB2在杨树休眠中发挥重要的抑制作用，我们的研究表明PhyB的休眠调节作用通路并非前人刚发表的PHYB-PIF8通路。对休眠诱导下表达变化剧烈的CBF成员PtoDDF(又名PtoCBF3)进行功能分析，发现其促进了休眠；荧光素酶表达试验表明PtoDDF提升了赤霉素代谢途径关键基因PtoGA2ox的表达从而降低了植株赤霉素含量，并促进了乙烯信号传导相关基因PtoERF1的强烈表达，从而加速了休眠过程。总之，通过本项目，明确了低温在杨树休眠诱导中的作用，以及低温和光周期的休眠诱导互作基础; 清楚阐明了逆境激素的休眠诱导作用，分析了温度感受和响应关键基因的休眠作用；并获得了具有很好参考价值的大样本转录组。