多组学联合分析探究西藏拟南芥生态型的高光适应机制

Environment adaptation is a major area in evolutionary biology research. Growing on the highest plateau in the world, plants in Qinghai-Tibetan Plateau survive from high and long light. However, we know little about how these plants adapt to this harsh environment. In this project, we researched on a valuable Arabidopsis ecotype Tibet-0 founded by professor Yang Zhong, and explored its possible mechanisms in adaptation to high-light environment. Different from Col-0, the core proteins of photosystem II have higher abundance in Tibet-0 no matter treatment with high-light or not. More interesting, Tibet-0 rarely accumulated anthocyanin after long time high-light treatment. Although our preliminary analysis on mRNA-seq data have indicated that hundreds of genes could specially expressed in Tibet-0 to respond high-light stimulation and their function were related to responding to light stimulation and regulating metabolic process, we have known little about the exact molecular mechanisms of high-light adaptation in Tibet-0. So, in future, we want to investigate these mechanisms through multi-omics strategy. Compare the difference between Tibet-0 and Col-0 at genome, epigenome, transcriptome, translatome and metabolome levels, and analyses those differences integratly. Further more, other Arabidopsis ecotypes which also adapt tohigh-light will be used for validating the mechanism we proposed. Our research will explore a new direction for research on how plant adapt to high-light, and then pave a new way for the improvement of high-light adaptation in plant.

环境适应性是进化学的重要科学问题。青藏高原是世界上海拔最高的高原，日照时间长、太阳辐射强。青藏高原植物如何应对高光胁迫及其高光适应机制并不清楚。我们前期以钟扬教授发现的一种珍贵的拟南芥生态型-西藏拟南芥（Tibet-0）-为研究对象，初步对可能影响其高光适应的途径进行了探索。发现与普通拟南芥（Col-0）不同，西藏拟南芥中叶绿体PSII复合物核心蛋白丰度组成型升高，而且在高光处理后几乎不积累花色素苷。虽然，初步的转录组数据分析证明西藏拟南芥中确实存在一批特异响应持续高光处理的基因，它们参与光刺激响应、代谢等调节过程，但是其中的具体分子机制并不清楚。本项目拟综合利用基因组、表观组、转录组、翻译组和代谢组等多组学联合分析方法，对西藏拟南芥的高光适应机制进行解析，并在其它具有相似高光适应表型的拟南芥生态型中进行验证。本研究将有帮助我们理解植物的高光适应机制，进而为作物的高光适应改良提供理论基础。

环境适应性是进化学的重要科学问题。青藏高原是世界上海拔最高的高原，日照时间长、太阳辐射强。青藏高原植物如何应对高光胁迫及其高光适应机制并不清楚。在该项目中，我们以钟扬教授发现的一种珍贵的拟南芥生态型-西藏拟南芥（Tibet-0）-为研究对象，针对该生态型适应高原极端光环境的特点，通过植物生理、生物化学和转录组、翻译组的联合解析，对其高光适应机制进行了探究。我们发现西藏拟南芥能够通过提高核糖体编码蛋白的翻译效率来增加光系统II中核心亚基的蛋白丰度，从而提高其高光适应性。针对该生态型在高光条件下花色素苷几乎不积累的特点，一方面，利用结构基因组学技术从头组装、注释了西藏拟南芥的基因组，并对其与最常用的拟南芥生态型Col-0的基因组变异进行了详细的比较分析。另一方面，通过转录组数据分析，发现西藏拟南芥花色素苷积累异常是由于其合成途径不响应非生物胁迫造成的。进一步通过结合基因组变异数据，筛选到了候选基因MYB113，该基因在西藏拟南芥中由于单碱基突变造成蛋白编码提前终止，可能是导致西藏拟南芥花色素苷合成途径无法响应非生物胁迫的原因。本项目通过多种组学手段，对西藏拟南芥在高光条件下的适应机制和花色素苷积累异常现象进行了解析，为西藏拟南芥的基础研究积累了重要的基因组、转录组、遗传变异数据，并对植物的高光适应理论研究提供了新的可能性。在该项目作为项目负责人职业生涯的第一桶金，帮助负责人开启了独立研究的历程，目前以通讯作者身份发表高水平研究论文两篇（Environmental and Experimental Botany 和Nature Communications），并仍有相关工作在准备投稿中。