甘草叶片对UV-B辐射增强的响应机制研究

The cuticle is a translucent film covering the aerial parts of plants such as leaves and corollas, consisted of hydrophilic and hydrophobic polymeric, and act as the first protective barrier against the varied forms environment stress. Its biological function is closely connected with itself structure and components, especially the outmost waxex layer，which has been focused on by researchers. Although previous researches showed that cuticule could reflect ultraviolet rays, the mechanism about cuticule attenuation of UV radition has been unclear, especially in non-mode plants. The aim of the research project is to investigate the function of cuticle to attenuate short-wave UV radiation and mechanism of adaptation to UV-B radiation for Glycrryhiza uralensis, by applied NMR to analyze metabolites profiling, qRT-PCR analyze related genes, SEM and TEM to measure cuticle structure as well as waxes crystal. With this research we will able to characterise the responses mechanism to UV-B radiation for the leaves and cuticles of G.uralensis. Furthermore, the results will provide a theoretical basis for plant evolution and adaptation in arid and semi arid environment.

角质膜（层）是植物叶片、花冠等地上器官特有的一层由酯类物质等组成的薄膜，是植物抵御不良环境的第一道屏障，其结构和组成成分与生物学功能密切相关，特别是角质膜外蜡质，是当前植物抗性研究的热点之一。尽管早先的研究指出角质膜可以反射紫外光辐射，但对于叶片角质膜如何减弱UV-B辐射的机理尚不十分清楚，尤其在非模式草本植物中报道很少。本项目拟选择宁夏干旱半干旱区分布的乌拉尔甘草为研究对象，以本课题组探索建立的人工模拟UV-B辐射的方法为处理手段，分别采用酶法分离角质膜技术、核磁共振分析和多变量数据处理技术、定量荧光PCR技术等，研究不同UV-B辐射处理模式下，叶片角质膜形态结构特征、代谢物图谱特征及其变化、角质膜蜡质及角质合成等相关的基因表达等，探索从不同层次认识甘草叶片对UV-B辐射增强的响应机制及可能的调控途径，为阐明干旱半干旱生境的植物进化及对环境适应过程奠定理论基础。

早期的研究者认为，约 2/3陆地植被对 UV-B 辐射增强的响应表现显著，大多表现为不利影响。近期的一些研究表明，UV-B辐射增强可引起次生代谢过程的改变，对药用植物有效成分积累有促进作用。但作为首先感知光信号的叶片是如何响应这样变化仍是需要深入研究的科学问题。.本项目以乌拉尔甘草为研究对象，分别从形态结构、光合生理、转录组和代谢组三个层面，探讨甘草叶片对UV-B辐射增强的响应机制，为有效的利用UV-B辐射诱导药用植物成分的合成和积累提供依据。研究结果表明：1）增强UV-B辐射引起甘草叶片形态结构、叶肉细胞亚显微结构、叶表皮角质膜结构均发生不同程度的损伤，导致叶片光系统II反应中心受损，使PSⅡ受体侧开放程度及电子从QA传至QB的能力受阻，PSⅡ光转化效率下降，净光合速率下降，其损伤程度与辐射强度、辐射时间密切相关；2）通过转录组测序获得26805678个序列读取片段（reads），经拼接组装得到81158个Unigens基因，平均长度为687.57bp。对获得的Unigens进行了NR、Swissprot，KOG，KEGG四大数据库注释，其中43902个基因在上述四个数据库得到注释，占基因总数的54.1%（注释率）。此外，还获得了10类转录因子，主要为bHLH、NAC和WRKY型，得到丰度最高的不同串联重复的SSR有15种，这些结果有助于分析甘草的物种多样性和育种标记的开发；3）通过差异基因表达谱分析：UV-B辐射引起甘草叶片极大量差异基因表达，最高达15962个，上、下调基因倍数在1-4倍，其中有374个差异基因始终参与了相应过程。在此基础上研究了UV-B辐射对叶片蜡质成分影响，结合差异基因表达谱，筛选出18个与蜡质合成相关、27个与蜡质转运途径中脂质转运相关基因，并对选择的部分基因进行了Q-PCR验证；4）利用LC-MS-MS方法研究了不同UV-B辐射处理后叶片的代谢物特征，获得997种代谢物信号，鉴定了53种代谢物，主要为氨基酸和黄酮类成分。代谢物PCA分析表明不同处理时间点的对照组代谢物数量差异不显著，但每个处理组与对照组代谢物差异变化显著。结合转录组测序数据，进一步阐明了不同UV-B辐射处理时间诱导叶片产生代谢物变化的机制。研究结果丰富了药用植物对UV-B辐射响应及调控机制的理论。