雌雄青杨对增强UV-B辐射差异响应的蛋白质组学研究

杨树是雌雄异株植物，由于不同的繁殖成本，雌雄植株在长期适应自然而进化的过程中，对环境胁迫形成了不同的适应性策略。近年来，随着臭氧层的破坏，到达地面的紫外线（UV-B）强度不断增强，面对不断增加的UV-B辐射，雌雄植物会表现出怎样的差异性响应以及响应的分子机理是什么，目前关于这方面的研究尚比较欠缺。本研究拟以雌雄青杨为研究对象，采用人工模拟增强UV-B辐射的方法，运用定量蛋白质组技术(iTRAQ)结合生理学和细胞器超微结构分析，分析增强UV-B辐射对雌雄青杨的伤害程度，鉴定叶片全蛋白质组及叶绿体蛋白质组中性别特异性响应蛋白，探讨不同性别的杨树与环境之间的互动关系，阐明雌雄青杨遭受UV-B胁迫时性别间光合作用差异的分子机制及采取的不同适应策略。研究结果不仅能为下一步差异蛋白功能验证和相关基因克隆提供线索，也可为制定适应气候变化对植物产生不良影响的对策和措施提供理论支撑。

由于性别的二态性，雌雄异株植物对环境胁迫有不同的响应与适应，对于雌雄异株的杨树来说，在资源有限条件下和环境胁迫下，表现出性别比例的偏雄性，尤其是在高海拔地区这种性别比例的偏倚更为明显。由此提出：雄性植株对逆境胁迫具有较强的忍耐性和适应性的假设，基于此，本项目从高海拔强紫外线辐射这一典型环境因子为着手点，开展了高、低UV-B辐射下雌雄青杨性别间差异响应的生理和分子机制研究。结果表明，雌雄青杨在高生长、生物量积累、光合作用等方面存在显著的性别间差异，不仅揭示了性别的二态性，而且阐明了雄株表现出对强UV-B辐射较高的耐受性和较少的生长抑制性，其原因在于强UV-B辐射下雄株比雌株有较好的保护系统（抗氧化系统，PSI 和PSII自我调节能力，渗透调节能力和防御能力），从而导致较少的细胞器（叶绿体、线粒体、细胞膜和光合系统）伤害程度，维持较强的光合能力。同时，较高含量的UV-B吸收物质和次生代谢物质能有效缓轻高UV-B辐射的伤害程度。进一步，在分子机制上，开展的转录组学和蛋白质组学研究表明，较复杂的基因表达调控系统（转录水平上较多次生代谢表达基因和胁迫响应基因的高表达，蛋白质水平上较多的参与氨基酸、脂肪酸代谢、碳水化合物代谢途径蛋白的高表达量和参与光合作用、转录后修饰、核糖体结构与功能途径蛋白的低表达量）决定了雄株对高UV-B辐射具有较强的耐受性。mRNA表达水平上雄株在光合作用、氨基酸代谢、脂肪酸代谢、次生代谢及胁迫响应途径基因表达量的显著富集；蛋白质表达水平上，雄株在光合作用、碳水化合物、氨基酸和脂类等初级代谢物的生物合成与代谢，次生防御、氧化还原平衡及抗胁迫等代谢进程蛋白质表达量的上调构成了复杂的UV-B胁迫响应基因网络，从而维持雄株较强的UV-B忍耐能力。研究结果不仅为自然分布条件下，高海拔地区，雌雄异株植物性别比例的偏雄性提供了分子水平的诠释，也为筛选和培育忍耐山地环境的木本植物提供参考。