基于组学方法研究青藏高原一年生野生大麦特异种质的耐盐机制

Tibetan wild barley (Hordeum vulgare ssp. spontaneum) is rare and unique wild germplasm in China, and it shows a wide genetic variation in the tolerance to harsh environments. It is possible for us to explore the elite germplasm in terms of salt tolerance from the wild barley. In our previous studies, an association analysis was used to identify and explore salt-tolerant germplasm based on the evaluation of salt tolerance among around 200 Tibetan wild barley accessions. Here, multiple plant 'omics' methods will be used to analyze genotypic difference in response to salt tolerance between elite wild barley and cultivated barley. The main contents in the study are as fellows: (1) using isobaric tags for relative and absolute quantitation (iTRAQ) technique to compare proteomic difference and to identify differential expressed proteins; (2) using inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP-OES) technique to compare ionomic difference and to investigate ion transporting under salt stress; (3) using gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS) technique to compare metabolomic difference and to reveal the impacts of metabolic pathway caused by salt stress. The primary objectives of this work are to systematically analyze molecular responses to salt stress on gene-protein-metabolite, and to reveal mechanisms of salt tolerance in elite wild germplasm. The innovative results could be obtained in the knowledge of crop salt tolerance, and which will be helpful for exploring genetic resources and developing barley cultivars with salt tolerance.

青藏高原野生大麦是我国独有的珍稀种质资源，已探明具有广泛的抗逆遗传变异，发掘其耐盐资源可为栽培大麦耐盐性改良提供优异的遗传资源。在前期对近200份青藏高原一年生野生大麦进行遗传多态性分析和耐盐鉴定，以及采用关联分析鉴定耐盐种质的基础上，本项目拟采用组学方法，分析和比较野生和栽培大麦在蛋白质组、离子组和代谢组水平上对盐胁迫的响应差异，主要研究内容有：（1）利用同位素标记相对和绝对定量（iTRAQ）技术，研究蛋白质组的响应差异，鉴定耐盐相关蛋白；（2）利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES），研究离子组的响应差异和盐胁迫下离子的转运和积累；（3）利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，研究代谢组的响应差异和盐胁迫对相关代谢途径的影响。本研究将阐明盐胁迫过程中大麦组织基因-蛋白-代谢物的分子响应，从而揭示野生大麦特异的耐盐机制，丰富植物耐盐的分子机理理论，为大麦耐盐性改良提供理论指导。

大麦（Hordeum vulgare）是全球第四大谷类作物，适应性广、耐盐性强。以大麦为模式作物，研究其耐盐机制，对揭示禾本科作物的耐盐机理具有重要的理论价值。青藏高原一年生野生大麦（也成西藏野生大麦）是我国独有的珍稀种质资源，已探明具有广泛的抗逆遗传变异，发掘其耐盐资源可为栽培大麦耐盐性改良提供优异的遗传资源。本项目采用多种组学方法，分析和比较野生和栽培大麦在蛋白质组、离子组和代谢组水平上对盐胁迫的响应差异，主要研究内容有：利用同位素标记相对和绝对定量技术，研究蛋白质组的响应差异，鉴定耐盐相关蛋白；利用电感耦合等离子体发射光谱仪，研究离子组的响应差异和盐胁迫环境下离子的转运和积累；利用气相色谱-质谱联用技术，研究代谢组的响应差异和盐胁迫对相关代谢过程的影响。研究结果表明：维持地上部低Na含量和Na/K比是耐盐大麦基因型重要的耐盐机制。此外，根部Ca、Cu和Fe的含量以及地上部Fe的含量增加，与增强组织对盐胁迫的耐性相关。蛋白/基因的表达水平存在基因型差异，野生大麦XZ16和XZ26参与渗透调节、离子转运以及保护光合作用相关的蛋白表达高于栽培大麦CM72，这可能是前者具有较强耐盐性的分子基础。代谢组研究明确了大麦根部调节渗透的主要代谢物是脯氨酸、糖类、甘露醇和纤维醇；而叶片主要为棉子糖、脯氨酸和多种氨基酸。代谢物响应机制也存在基因型差异，栽培大麦CM72通过增加代谢物的合成增强渗透调节，而野生大麦XZ16在盐胁迫下维持正常的光合作用和合成代谢，具有较强的渗透调节能力。本研究从青藏高原一年生野生大麦中鉴定到耐盐性优于栽培大麦CM72的野生种质，并从离子组、膜蛋白组和代谢组上解析了野生和栽培大麦对盐胁迫的响应及其差异，可为进一步发掘耐盐遗传资源和培育耐盐作物品种提供理论参考和实践指导。