滇重楼水分适应策略及干旱胁迫响应机制的研究

The aim of this project is to discover the water adaptation strategy of Paris polyphylla var. yunnanensis and the effect mechanism of drought stress to the growth and saponins accumulation of this plant, concerning severe drought in Yunnan. On one hand, based on the investigation of phenology, life history, ecology and morphology of P. polyphylla var. yunnanensis, we will be doing the drought experiment of the seeds and plants from different populations to discuss its water adaptation strategy. One the other hand, we are going to study the changes of biological traits, photosynthetic physiology, activities of lipid peroxidation and protective enzymes, contents of osmotic adjustments and main secondary metabolites to reveal the response of P. polyphylla var. yunnanensis to drought stress, and the effects of drought stress on the accumulation of main secondary metabolites and the quality of this species. Meanwhile, we will construct the cDNA library of differentially expressed genes in P. polyphylla var. yunnanensis by suppression subtractive hybridization (SSH), isolate and clone differentially expressed genes associated with drought stress, analysis the molecular pathways of Paris polyphylla var. yunnanensis response to drought stress, and finally reveal the molecular response mechanisms of this species to drought stress. This research will improve the knowledge of the response mechanism of medicinal plants to abiotic stress and has important scientific significance of understanding the molecular response mechanisms of secondary metabolites in medicinal plants to abiotic stress.

本研究针对严重干旱在云南呈常态化现状，以揭示滇重楼水分适应策略以及干旱胁迫对滇重楼生长发育及皂苷积累的影响机制为目标。一方面在前期对不同滇重楼居群物候期、生活史、生态环境以及形态学调查的基础上，开展滇重楼种子及不同居群的水分胁迫试验，探讨滇重楼的水分适应策略。另一方面通过干旱胁迫实验，研究水分胁迫条件下滇重楼的生物学性状、光合生理、脂质过氧化及保护酶活性、渗透调节物质含量以及主要次生代谢产物的变化，揭示滇重楼对干旱胁迫的响应状况，阐明干旱胁迫对滇重楼主要次生代谢产物积累及其质量的影响。同时，利用抑制消减杂交技术（SSH）构建滇重楼干旱胁迫差异表达基因cDNA文库，分离、克隆差异表达的干旱胁迫相关基因，分析滇重楼干旱应答的分子途径，揭示滇重楼干旱胁迫应答的分子机制。研究将有助于人们进一步了解药用植物响应非生物胁迫机制，同时对了解药用植物次生代谢产物应答非生物胁迫的分子机制具有重要的科学意义。

滇重楼在云南高原分布较广，生长的地理气候环境复杂多样，其对温度和水分变化的适应能力存在明显差异。本项目从滇重楼物种的水分适应策略、干旱胁迫下滇重楼的生物学性状、生理生化响应状况、重楼皂苷积累以及干旱诱导下滇重楼叶片的转录表达差异等方面进行了研究。主要研究结果为：（1）滇重楼物种水分适应策略：在物候期、生活史方面表现为，不同滇重楼居群间物候期差异明显，出苗期与原生地的雨季来临时间有关，倒苗期和生长期长短与原生地的年均气温有关，充分体现了滇重楼物种对水分与温度等环境因子的生态适应策略；在表型性状方面表现为，滇重楼不同性状在年度间具有较大差异，这些性状对春旱的响应较为强烈，春旱严重的年份株高明显降低很多；不同居群由于生境的差异对春旱的适应也不一致，较少遭遇春旱的湿润区域株高等性状年度间差异明显，经常遭遇春旱的半干旱地区株高等性状差异不明显。（2）对冬春水分胁迫的响应：滇重楼根茎水分的含量对后期的植株形态结构、生长发育以及光合特性等系列指标均产生了明显影响，根茎水分是制约滇重楼春季出苗及其生长的一个重要因素，但干旱胁迫可显著增加根茎中重楼皂苷含量积累。（3）对水分长期胁迫的适应：在干旱胁迫下不同地理居群滇重楼在生物量积累与分配方面存在明显差异，过湿水分有利于滇重楼金平居群生物量积累，正常水分有利于促进滇重楼维西、禄劝居群生物量和重楼总皂苷含量积累。（4）对生长期水分胁迫的响应：充分水分灌溉有利于促进滇重楼（金平居群）生物量积累，滇重楼生物量分配有季节变化特点。在滇重楼生长期间水分对重楼总皂苷积累量存在影响，且这种影响随着滇重楼生长期推进而有所差异。（5）对干旱诱导下滇重楼叶片进行转录组测序：经GO 富集分析发现高表达的上调差异基因主要参与了氧化还原酶、过氧化物酶、蔗糖-磷酸合酶等催化活性功能，碳水化合物运输与代谢、蔗糖代谢、次生代谢产物的生物合成、运输和分解代谢等代谢过程，以及对胁迫、干旱响应等响应功能。经 KEGG 显著性富集分析发现，其中淀粉和蔗糖代谢、氧化磷酸化、氨基酸糖和核苷酸糖代谢等代谢通路可能主要参与滇重楼干旱胁迫的响应。.本项目的研究结果初步揭示了滇重楼物种的水分适应策略以及干旱胁迫对滇重楼的生长发育及皂苷积累的影响机制。研究结果将有助于人们进一步了解药用植物响应非生物胁迫机制，同时对了解药用植物次生代谢产物应答非生物胁迫的生理及分子机制具有重要的科学意义。