杨树耐涝分子生理机理及抗性基因鉴定

杨树具有速生、耐水湿特性，是目前我国涝渍土地造林最重要的树种之一。利用我国广阔的江、河、湖滩地发展杨树人工林具有重要的经济价值与生态价值。但淹水胁迫显著降低了滩地杨树的木材产量，造成巨大损失。研究杨树耐涝的分子生理机理并鉴定抗涝基因，对杨树耐涝、速生新品种培育具有重要理论与现实意义。课题组前期研究发现，I-69杨与小叶杨的耐涝性差异显著。I-69杨×小叶杨杂交子代的耐涝性明显分离，其中LS1与LS2间的差异极显著。本项目拟以LS1与LS2为试材，在人工淹水条件下，采用树脂切片、透射电镜、生理生化测定、实时定量RT-PCR、基因芯片等技术，从形态学、解剖学、生理生化特征、基因转录调控等多层次系统地研究杨树耐涝的分子生理机理，筛选抗涝相关的候选基因，并通过转基因方法对部分抗涝相关候选基因进行初步功能鉴定。本项目的实施还将为后续杨树抗涝基因的克隆与功能分析以及耐涝分子机理的深入研究奠定一定基础。

杨树是我国涝渍土地造林最重要的树种之一，但淹水胁迫显著降低了滩地杨树的木材产量，造成巨大损失。研究杨树耐涝的分子生理机理并鉴定抗涝基因，对杨树耐涝、速生新品种培育具有重要理论与现实意义。本项目以耐涝性差异显著的I-69杨（Populus deltoides ‘Lux’ ex I-69/55；耐涝型）、小叶杨（P. simonii；不耐涝型）及其全同胞子代LS1（耐涝型）、LS2（不耐涝型）为试材，从形态、解剖、生理生态、生理生化、基因转录调控等多层次系统地研究了杨树耐涝的分子生理机理，筛选抗涝相关的候选基因，并对部分基因进行了初步功能鉴定。主要研究结果如下：（1）耐涝杨树（I-69杨、LS1）兼具避缺氧性与耐缺氧性机制，而不耐涝型杨树（小叶杨、LS2）则缺乏相应机制。淹水胁迫下，迅速膨大皮孔并保持正常活性、快速降低水势并关闭气孔、保持高光合速率和水分利用效率等响应对杨树的存活与生长具有重要作用，可作为耐涝杨树品种选择的参考。（2）淹水胁迫下，LS1叶片与根系的细胞结构与超微结构明显比LS2稳定，损伤症状轻，出现时间晚。与叶片相比，根系结构的受害症状出现早、程度重。叶片叶绿体对淹水胁迫敏感，线粒体结构相对稳定。叶片超微结构，尤其光合机构的损伤是造成淹水胁迫下光合性能下降的重要原因。根系中良好的通气组织以及丰富稳定的线粒体等细胞器，对淹水胁迫下杨树的生长和存活具有重要意义，这些特征可作为杨树抗涝性鉴定的细胞学参考。（3）杨树的耐涝性主要由根系的基因型决定，而与地上组织（茎、叶）的基因型关系较小。（4）淹水胁迫下，LS1与LS2的相关生理代谢过程存在显著差异。活性氧（ROS）、碳水化合物、有机氮等代谢过程对淹水胁迫的响应在两种杨树间存在较大差异，这些生理代谢过程可能与杨树抗涝性密切相关，其中谷胱甘肽还原酶（GR）、乙醇脱氢酶（ADH）以及氨基酸代谢可能在杨树的抗涝性中存在重要作用。（5）淹水胁迫下，LS1与LS2根系中存在大量差异表达的基因，显示其在基因转录水平的调控存在显著差异。这些差异表达的基因主要涉及调控活性氧（ROS）代谢、碳水化合物代谢、有机氮代谢以及激素信号转导等方面。其中，MYB、AP2、ERF、WRKY等转录因子家族的部分成员可能在杨树的抗涝性调节中起到重要作用。本项目的实施不仅为耐涝杨树的选育提供了参考，还将为后续杨树耐涝分子机理的深入研究奠定一定基础。