基于转录组分析探究普通野生稻北缘种群对低温的适应

The mechanism underlying adaptation of plants to low temperature is one of the core issues of evolutionary biology and ecology, which playing great role in revealing plants response to global climate change and in exploring the genetic resources of plant tolerance to low temperature stresses. The common wild rice (Oryza rufipogon), a most important resource for rice improvement, is widely distributed in tropical and subtropical regions. Furthermore, it exhibits adaptive population differentiation along latitude clinal change, mainly temperature gradient, presenting rich morphological and genetic variability. Previously, adaptations to low temperature have been observed in the northernmost population of the wild rice, but the adaptive mechanism to low temperature remains unclear. In present study, we make a comparative analysis between populations in northernmost and those in lower latitude, and we pay more attention on the stages of seed germination and seedling, which are very sensitive to environmental changes in life cycle. We do transcriptome analyses for the seeds and seedlings cultivated under different temperatures, investigate their morphological variations, physiological and metabolic performances, as well as conduct growth experiment and thermal time model test, then to reveal the adaptive patterns of the northernmost common wild rice populations responding to low temperature, and to infer the ecological and molecular mechanisms underlying its patterns. The results will enhance the understanding of plants response to climate change, and will develop insights into the mechanism of plant's geographical differentiation, and also can contribute to exploiting and utilizing the low-temperature tolerant genes in rice.

植物对低温环境的适应一直是进化生态学研究的核心问题之一，对于揭示植物对全球气候变化的响应机制和耐低温资源的挖掘具有重要的科学意义。普通野生稻是事关国家粮食安全的战略性资源，广泛分布于热带和亚热带地区，沿着纬度梯度（主要是温度梯度）呈现出显著的渐变群式样，形成了丰富的表型和遗传变异。前期研究发现，普通野生稻北缘种群明显表现出对低温的适应性，但其适应低温的机制尚缺乏了解。本项目选取北缘种群与低纬度种群进行对比研究，聚焦于植物生活史中对环境变化最为敏感的萌发和立苗阶段，在转录组水平上分析种子和幼苗在不同温度梯度的差异表达基因，结合表型观测、生理检测，以及积温模型估算与生长试验，来阐明普通野生稻北缘种群对低温的适应模式及生态与分子机制。本研究的完成，既能促进对植物响应气候变化机制的认识，加深对植物地理分化机制的了解，又能为水稻耐低温基因资源的挖掘与利用提供数据支持和理论支撑。

种子萌发既是植物生活史周期的起始阶段又是重要的发育过程，决定着植物的生存和种群的繁衍。种子萌发涉及众多生理生化反应及物质代谢过程，目前对其分子基础及对温度尤其是低温适应的机制尚缺乏了解。本研究在转录水平分析普通野生稻种子萌发进程中的基因表达式样，并结合表型观测和生理检验，阐明普通野生稻北缘种群种子对低温萌发的适应机制。主要研究结论如下：.1、普通野生稻种子萌发的转录水平随萌发时间的推移呈连续且不可逆的过程。干燥种子的生理代谢随时响应着外界的环境条件，进行贮藏物质累积的准备。种子露白时富集到大量与光照相关的生物学过程，暗示此时已完成幼苗建成的准备。.2、基因共表达网络分析、k-means聚类分析及萌发早期特异表达的差异基因富集分析结果一致，表明在萌发早期阶段，对外界环境及生物/非生物胁迫的响应、激素及其代谢通路、能量物质的转运及代谢相关的生物学过程发挥了重要的作用。萌发早期大量蛋白质迅速转录翻译，并被修饰加工达到最佳功能状态，保证了萌发的正常启动。萌发早期ATP的产生和消耗主要用于种子对外界环境的感知并积极抵御不良环境的刺激、呼吸作用、营养物质的动员和运输等生物学事件。.3、南北部种群种子的吸水率随吸胀时间推移表现出相同的趋势，但其在低温条件下的萌发行为出现了种群分化。北缘种群比低纬度种群萌发更早，萌发率更高，对低温具有更强的适应性。通过对DNA拓扑结构的改变来调节染色体DNA结构，从而转录激活新的基因、产生新的蛋白，以及对活性氧的调控和细胞内稳态的维持可能是北缘种群适应低温萌发的重要方式。.本研究基于转录组学数据解释普通野生稻种子萌发过程中的生物学事件，筛选与主要萌发进程、重要生理性状及低温萌发适应相关的枢纽基因，并初步揭示该物种高、低纬度种群对低温响应的差异机制，既能促进对萌发这一重要生命活动的认识，加深对植物响应气候变化的理解；又能为水稻耐低温基因资源的挖掘与利用提供数据支持和理论支撑。