雌雄滇杨对干旱胁迫差异响应的分子机理研究

With the global environmental degradation, drought and desertification has become a major disasters which threat to human survival and development. In recent years, studies of drought stress have gradually been carried out in angiosperms, especially at molecular level in some crops, economic trees and forest constructive species. However, little is known in the sex-related different response to drought stress in the dioecious plants, which accounted for 6% of angiosperms. Here, we want to use the Illumina-Solexa technology to sequence the leaf transcriptomes from male and female P. yunnanensis trees grown in normal condition and drought stress and screen the sex-related differentially expressed genes. Moreover, we identify the sex-related differentially expressed genes using gene knockout or transgenic technology and explore the intrinsic link between sex-related physiological/biochemical differences and gene expression. Furthermore, we construct the sexual different signal transduction and gene regulation net using gene chip and qRT-PCR technology, combined with physiological, biochemical indicators. Finally we will reveal the molecular mechanism of sex-related different response to drought stress and enrich the plant resistance theory. At the same time, it will help us to provide a scientific basis for forest protection, afforestation, and forest management.

全球环境不断恶化，干旱和荒漠化已成为威胁人类生存和发展的主要灾害。近些年被子植物对干旱胁迫的响应研究已逐步得以开展，尤其是部分农作物、经济林木以及森林建群种的抗旱机制研究已深入到分子生物学水平，而占被子植物6%的雌雄异株植物对干旱胁迫的性别响应差异研究还少有报道。本项目以雌雄滇杨为研究材料，采用高通量测序技术(Illumina-Solexa)在全基因组水平研究滇杨雌雄植株对干旱胁迫的响应差异，筛选干旱胁迫相关的性别响应差异基因，鉴定关键效应基因功能；利用基因芯片和实时定量RT-PCR技术，结合生理、生化指标，构建雌雄滇杨对干旱胁迫响应差异的信号转导和基因调控网络，探究干旱胁迫下生理、生化差异特性与抗旱基因表达、调控的内在联系，从而揭示滇杨雌雄植株对干旱胁迫性别响应差异的分子机理，丰富和发展植物抗性理论研究，同时为森林保护、造林、营林提供科学依据。

本研究以雌雄滇杨（Populus yunnanensis）扦插幼苗为研究材料，采用高通量测序技术(Illumina-Solexa)在全基因组水平研究了干旱胁迫对雌雄滇杨转录组和长非编码RNA（lncRNA）的响应差异，探讨植物对模拟干旱胁迫的响应规律。主要结果如下：在干旱胁迫处理下，滇杨雌雄植株共诱导878个基因差异表达；其中雌株差异表达基因598个，雄株差异表达基因568个，雌雄滇杨共同差异表达基因288个，有2个基因在雌雄中表现出相反的调控模式。GO功能富集和Pathway通路富集分析表明，滇杨雌雄植株表现出显著不同的应答机制。干旱胁迫处理下，诱导滇杨雌株319个lncRNA差异表达，诱导滇杨雄株327个lncRNA差异表达。对筛选得到的lncRNA进行顺式和反式靶基因预测，在Cis顺式预测的靶基因中，干旱胁迫诱导19个靶基因差异表达可能与26个lncRNA相关联，涉及细胞组件构成、能量代谢、糖代谢和生物应激反应等途径；在Trans反式预测的靶基因中，干旱胁迫诱导8个靶基因差异表达可能与9个lncRNA相关联，包括核糖体合成、糖代谢、脂类分解合成等途径。在顺式靶基因预测关联过程中，滇杨雌株6个lncRNA显著上调，11个lncRNA显著下调，引起5个mRNA显著上调，14个mRNA显著下调；6个lncRNA差异表达情况与相关联mRNA呈现显著负调控，而 11个lncRNA差异表达情况与相关联mRNA呈现显著正调控。而滇杨雄株有9个lncRNA显著上调，12个lncRNA显著下调，但仅引起10个mRNA显著差异表达，5个mRNA显著上调和5个mRNA显著下调。发现一个lncRNA（TCONS_00136148）位于19号染色体上，可能为性连锁相关的lncRNA，其对应下调雌株基因表达，而在雄株中预测靶基因未见差异表达。该结果有利于揭示木本模式植物滇杨对干旱胁迫性别差异响应的分子机制。本项目按照计划内容完成了科研任务。依托本项目，撰写完成论文6篇，已发表2篇SCI论文，1篇SCI投稿审稿中（accept after minor revision），3篇中文核心。另外2篇SCI投稿初审中。参与该项目的人员1人晋升副教授，1人留美访学1年，参与该项目已毕业研究生1名，现有3名研究生在读。