植物木质部导管气穴栓塞修复机理

This proposal, we are going to use poplar as material to investigate mechanism of embolized vessel refilling with water in xylem. Specific promoter RNAi suppression and overexpression are employed to change aquaporin gene expression in poplar xylem tissue. Abundance of the aquaporin proteins on plasma membrane is detected in different tissues with immunoassay. Simultaneously the cell pressure probe is used to measure the hydraulic conductivity and turgor of parenchyma cells in xylem to investigate the association with aquaporin abundance, and the possible role of the proteins in refilling the embolism induced by drought, or osmotic stress. In addition, we are going to measure seasonal change of IAA (indoleacetic acid) and role of IAA in activating amylase that catalyzes starch to sugars in the transgenic poplar clones. The turgor of parenchyma cells is monitored to explore relationship between the metabolism and turgor changes, and to investigate any role of aquaporins in the xylem. In this proposed project, we intend to determine if and how the bud flushing participates in repair of seasonally-occurred embolism, and to illustrate mechanism of aquaporins in embolism repair. The results would be beneficial to improve the plant's long-distance water transport theory, and provide useful knowledge and understanding of plant drought resistance and plant distribution regularity.

该项目拟用杨树为材料研究木质部导管气穴栓塞修复的机理。通过特异启动子进行RNAi抑制和超表达来改变杨树维管组织中水孔蛋白基因；测定木质部等组织中水孔蛋白的丰度，同时用细胞压力探针测定细胞水分导度和膨压，探索水孔蛋白丰度和细胞水分导度、膨压变化的关系，以及在干旱等逆境所引起的栓塞修复中所起的作用。另一方面，研究上述转基因杨树在萌动过程中生长素的变化及其在激活淀粉酶的作用，测定淀粉酶促使淀粉转化成可溶性糖的动态。运用细胞压力探针技术测定木质部薄壁细胞水分导度和膨压的变化，探明这些物质变化和导管周围薄壁细胞膨压的关系以及水孔蛋白的作用。以确定它们在季节性栓塞导管的修复中的作用。该研究将探明芽萌动是否以及如何参与植物茎干木质部气穴栓塞的季节性修复；揭示木质部薄壁细胞中水孔蛋白在木质部气穴栓塞修复中的机制。其结果将有利于完善植物长距离水分运输的理论，并为认识植物抗旱性和植物分布规律提供有用的知识。

植物体内长距离水分运输是植物生理学研究中的一个重要问题，其关系到植物水分平衡，气孔调节，光合作用。在纬度较高的地区树木冬季气穴栓塞及春季栓塞修复是一普遍现象。但其中的规律和机理还有许多不清楚的地方。本项目构建了杨树转水通道蛋白基因材料；测定转化苗木基本水分代谢及其在气穴栓塞的修复中的可能作用；测定了在干旱条件下木质部水通道蛋白基因表达丰度的变化；研究了水通道蛋白基因、温度对杨树根压的影响以及根压昼夜节律；测定木质部非结构性碳的季节变化，分析其和内源生长素（IAA）、淀粉酶的关系；测定杨树等阔叶树最大导水率和导水损失率随季节的变化以探索气穴栓塞修复机理。..获得5个基因的5个超表达植物表达载体、4个RNAi抑制植物表达载体和4个特异启动子植物表达载体的转基因84K杨，以及全部表达载体的84K杨阳性植株。首次报道水通道蛋白基因表达程度和根压成有正比关系，不过根压主要决定于呼吸代谢和土壤温度。试验发现杨树根压具有明显的昼夜节律，昼高夜低。在华北地区杨树等阔叶树木质部的淀粉和可溶性糖具有显著的季节变化，早春淀粉出现明显的低谷，其时木质部汁液渗透势低，有利于栓塞修复。试验结果表明杨树等阔叶树最大导水率以及导水损失率具有明显的季节变化；杨树等散孔材在早春出现主动修复，而环孔材在新导管出现后导水损失率显著下降。所有的测定树种都表现出栓塞疲劳，杨树等散孔材较轻。新导管的出现可以完全恢复导水能力，但只能部分的消除栓塞疲劳。