黑河流域典型荒漠植物耐旱机理的基因组学研究

"黑河流域生态-水文过程集成研究"重大研究计划是在流域水资源不断减少、生态迅速退化的背景下设立，旨在探讨流域水资源形成及其转化的机制，提升对水资源的合理有效利用、恢复流域生态和保持经济的可持续发展。围绕此重大计划的总体目标，本项目拟以三种典型荒漠植物胡杨、白刺和芦苇（分别代表乔木、灌木和草本)为材料，（1）利用目前国际上最先进的新一代基因测序技术测定三种荒漠植物的全基因组序列，从基因水平揭示荒漠植物抗旱的分子基础；（2）利用基因测序技术解析三种荒漠植物的转录组组成以及它们mRNA的剪切机制，研究荒漠植物基因的表达调控；（3）比较干旱处理前后或不同生态型荒漠植物间转录组的差异，确定与抗旱相关的基因或基因群组；（4）利用转基因技术，在模式植物拟南芥中研究荒漠植物的基因功能和抗旱分子机理，为我国抗旱植物与农作物新品种的培育、荒漠植物生态系统的恢复和保护提供基因资源和科学支撑。

本项目是国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”的子课题。根据该重大研究计划的四个核心科学问题之一“干旱环境下植物水分利用效率及其对水分胁迫的适应机制”，本项目确定的研究目标是，选定一种典型的荒漠植物作为研究对象，从基因组学的角度解析该荒漠植物的全基因组和转录组序列，发掘其中蕴藏的宝贵抗旱基因资源，并研究他们的抗旱机理，从而为黑河流域抗旱植物的遗传培育、生态恢复和可持续发展做出贡献。在广泛查阅文献、野外考察和与同行交流的基础上，我们选择常绿阔叶灌木沙冬青作为我们的研究对象。沙冬青是国家二级濒危保护植物，抗旱、抗寒能力强，是我国北方荒漠地区防风固沙的主要建群植物，因此具有重要的科学和生态价值。过去人们对沙冬青的生理生态已有较多研究，但对其抗旱、抗寒的遗传学基础知之甚少，限制了对这一宝贵植物资源的有效利用。本项目利用室内培养的沙冬青幼苗为材料，通过染色体核型分析、基因组和转录组深度测序，对其遗传学基础特别是基因组有了进一步全新的认识。取得的主要结果有：.(1) 染色体的核型分析查明沙冬青(包括蒙古沙冬青和新疆沙冬青)为二倍体植物，染色体总数目为18（2n），为在染色体水平了解沙冬青基因组提供了可靠数据；.(2) 流式细胞术预估沙冬青基因组的大小约为983.8 Mb；.(3) 基因组预测序测得蒙古沙冬青的基因组大小约为926 Mb，GC含量36.88%，重复序列比例66%，基因组杂合率0.56%，说明其基因组重复序列多，杂合度较高，属复杂基因组。这是目前对沙冬青基因组大小和复杂程度的第一次较准确分析；.(4) 蒙古沙冬青的基因组深度测序，共获得490 Gb数据，对基因组覆盖度达300×，通过组装获得937 Mb全基因组序列，与前期的预测值基本一致。.(5) 通过对蒙古沙冬青24个样品的转录组测序，得到77,000余个编码基因，为研究该植物的抗旱机理奠定了重要基础；.(6) 已选择8个蒙古沙冬青的干旱响应基因转入拟南芥和水稻，为研究其抗旱机理及在农作物中的应用建立了必要的实验体系。