南荻耐淹机理研究及其耐淹候选基因发掘

Miscanthus is a worldwide new bioenergy crop. Miscanthus sacchariflorus ssp. lutarioriparia, with tall stalk, high fiber quality and high yield, is an endemic Miscanthus species in China and the only Miscanthus species widely cultivated and used as well. It is also the only species growing in waterlogging habitats. The present studies in the basis of genetics and breeding mainly focus on agronomic characters of high quality, high yield in M. sacchariflorus ssp. lutarioriparia, and there is no report about the mechanism of its waterlogging tolerance. In this project, based on the collected resource of M. sacchariflorus ssp. lutarioriparia, the comparative studies of morphological structure, physiology, transcriptome and proteome will be explored by using the techniques of histological anatomy, plant physiology and molecular biology to reveal the characters of morphology, physiology and gene expression in M. sacchariflorus ssp. lutarioriparia, thus systematically interpret its biological mechanism of waterlogging tolerance. The results will be significant to the theoretical studies of the mechanism of plant waterlogging tolerance, the connection between environment and plant evolution, etc. Meanwhile, the candidate genes for waterlogging tolerance identified in M. sacchariflorus ssp. lutarioriparia could be the useful gene resources for selecting and improving waterlogging tolerance cultivars in Miscanthus and other crops.

芒属植物是世界性的新兴能源作物。其中，南荻是我国的特有的、唯一大规模栽培和利用的芒属植物。南荻株型高大，纤维质量好，产量高，并且是芒属植物中唯一能适应洪涝生境的种类。现有的遗传学基础研究及育种研究均是针对南荻优质、高产等农艺性状的研究和利用，至今没有关于南荻耐淹生物学机理的相关报道。鉴于此，本项目以已收集的南荻资源材料为基础，利用形态解剖学、植物生理学、分子生物学等领域的技术手段，进行南荻形态结构、生理适应性及其转录组学和蛋白质组学的比较研究，揭示的南荻耐淹的形态、生理及基因表达的特点，从而系统地阐释南荻的耐水淹的生物学机理，研究结果对植物耐淹机理、环境与植物的进化关系等理论研究具有重要意义；同时，发掘南荻耐淹候选基因，能够为耐涝芒草品种及其它作物的选育和改良提供基因资源。

芒属植物是世界性的新兴能源作物。其中，南荻是我国的特有，且唯一大规模栽培和利用的芒属植物，其株型高大，纤维质量好，产量高，也是芒属植物中唯一能适应洪涝生境的种类。本项目以已收集的南荻资源材料为基础，利用形态解剖学、植物生理学、分子生物学等领域的技术手段，进行南荻形态结构、代谢适应性及其转录组学和蛋白质组学的比较研究，揭示的南荻耐淹的形态、生理及基因表达的特点，从而系统地阐释南荻的耐水淹的生物学机理。研究表明，在形态方面南荻主要通过水下茎节不定根的形成，根、茎部通气组织的形成适应淹水胁迫；在生理生化方面：通过改变叶绿素b的含量来调控光合速率，通过提高抗氧化酶活性（SOD，POD，CAT）来调节体内ROS平衡，通过可溶性糖和脯氨酸含量维持植物细胞渗透平衡；转录组分析表明，在淹水胁迫不同时段各组织差异表达基因显著富集在苯丙烷类生物合成，类黄酮生物合成，淀粉和蔗糖代谢，植物激素信号转导，氮代谢等通路。说明这些基因可能在南荻应对水淹胁迫中发挥重要的调控作用；蛋白组分析表明，参与不饱和脂肪酸的生物合成，糖酵解，氨基酸的生物合成，碳代谢和RNA降解几个通路的蛋白，可能在南荻应对水淹胁迫中发挥重要的调控作用；基于南荻、荻转录组数据，分别设计了14073，10820对SSR引物。基于BAS发在Sib-Pop 群体选取筛选到与耐水淹相关的19对候选EST-SSR标记引物。同时，在Sib-Pop 群体中随机选取156个单株作为作图群体、利用随机标记SSR构建南荻的遗传图谱；克隆并分析了MnSOD和PAL基因。研究结果初步揭示的南荻耐淹机制，不仅对植物耐淹机理、环境与植物的进化关系等理论研究具有重要意义，同时南荻耐淹候选基因的发掘，能够为芒草及其它作物的耐淹品种培育提供基因资源。