干旱环境下植物水分利用特征及其适应水分胁迫的分子机制研究

黑河流域下游极端干旱气候条件下自然景观植物适应水分胁迫的分子机制，仍然缺乏系统的认识。植物在长期极端干旱的持续胁迫下，体内很可能发生较为稳态、甚至不可逆转的复杂改变。通过单基因或调控元件解析其分子机制显得有些困难。渗透调节可能是干旱胁迫下植物的基础性响应，而钾离子则是细胞中具主宰地位的渗透离子，因此钾的运移是渗透调节的关键。本项目针对气孔这一主要的水分损失路径：1）研究流域下游典型自然景观植物的水分利用效率及其与气候、土壤水分状况及植株含钾量之间的关系；2）剖析保卫细胞中的钾通道通过渗透调节控制气孔运动的分子基础和信号网络；3）比较不同自然水分生境的典型植物保卫细胞中钾通道结构域/调控域的分子生态特征、功能特性及其调控因子。期望通过本项目的研究，为研究计划提供基于气孔的植物水分利用与气候因子、土壤含水量及植物钾素状况相关联的生态模型，并解析植物适应干旱胁迫的分子机制。

本研究主要围绕极端干旱区的古老灌木—沙冬青开展了重点研究。分别从气孔形态、水分胁迫的生理特征及其分子响应网络、并重点在水分蒸散的主要门户—气孔的开、关的特殊分子调控机制方面等方面进行了较为全面的研究，系统解析了沙冬青适应水分胁迫的分子机制，实现了项目的预期科学目标。明确了以增加合成（AmP5CS1）、抑制降解（AmProDH1）和促进运输（AmProT）等关键基因共同作用所导致叶片脯氨酸急剧积累过程是沙冬青适应水分胁迫的生理机制；发现干旱胁迫信号ABA信号通路中的AmNAC1转录因子和AmPP2C蛋白激酶基因等通过调控其上下游的关键环节而在沙冬青水分胁迫响应中发挥重要作用；通过对控制气孔开放（AmKAT1）及关闭过程（AmGORK、AmSLAC1）的离子通道的研究，揭示了沙冬青气孔的“有限开放”和“高效关闭”的分子调控机制；克隆并研究了沙冬青的转录因子AmNAC1基因，证明了该转录因子可通过与AmOST，AmPP2C之间的相互作用，调控ABI2、ABI5、RD22、RD29等ABA信号途径下游基因的转录而抑制气孔的开放，增强耐旱能力；克隆了干旱胁迫响应中变化最为剧烈的AmPP2C磷酸激酶基因。初步明确了其相互作用机制，该基因的运作可有效打破ABA对种子萌发的抑制作用；克隆并系统研究了沙冬青气孔开放的关键控制基因—AmKAT1。该通道具有超高的通量（Km>300mM K+），其运作须依赖保卫细胞外部K+的大量积聚，表明由AmKAT1主导的沙冬青气孔开放需克服阻止其运作的不利条件，且因其极高的K+流入通量（Km），其作用具有瞬时性。沙东青有限的气孔开放调控机制，是其适应持续水分胁迫的重要机制之一；通过对主导气孔关闭基因的克隆和作用机理研究，发现沙冬青保卫细胞中的AmGORK钾外排通道和慢阴离子通道（Cl-外排）协同运作，形成增强模式的气孔高效关闭调控机制；利用沙冬青这一物种的古老性（起源于数百万至千万年前）及其极端干旱的生存环境，通过与现有模式植物拟南芥、水稻等的比较研究发现，GORK类钾通道主导的气孔关闭机制，在不同生境和进化历程的物种间，是高度保守的；而KAT类气孔开放调控机制方面则凸显物种和生存环境的特征，揭示了沙冬青气孔的“有限开放”和“高效关闭”的分子调控机制，以最大限度地适应极端干旱环境。