加拿大一枝黄花的多倍化及其入侵性分子基础研究

Biological invasion is a serious ecological problem, and the invasive plants highly threatened the environment and economy of the modern world, but we knew little about the complicated biological mechanism for their rapid invasion. The present project aimed at revealing the relationship between ploidy level and invading ability in Solidago canadensis L., a serious invasive plant in China. We will determine origin and spread of the polyploid plants based on chromosomal number and its variation analyses about native and invasive population. Then we will carry out genome scale gene expression analyses for plants with various ploidy levels, focused on the genes related to invading traits, and reveal the epigenetic regulation mechanism by DNA methylation and small RNA analyses. Finally, this project will illustrate the relative role of phenotypic plasticity and local adaptation for the invasion of this plant, and reveal the molecular essentials for the higher invading ability of polyploid plants. Moreover, we will propose the effective strategy for controlling this invasive plants, and make a contribution to plant invasive biology.

生物入侵是一个严重的生态学问题，入侵植物给世界生态环境和经济发展带来了非常严重的威胁，但其入侵的复杂生物学机制仍不清楚，制约了对外来植物的科学防控。本项目以入侵我国的恶性外来植物加拿大一枝黄花为研究对象，从植物基因组多倍化与入侵性的关系这一亟待解决的科学问题入手，在对入侵地、原产地不同种群植物染色体数目及倍性分析的基础上，阐明这种外来植物的多倍体发生与入侵地分布，对其进行全基因组规模的基因表达（包括转录本可变剪切）分析，重点分析多倍体中与入侵能力密切相关的基因及其功能类别、参与代谢通路等，确定表观遗传变化（甲基化、小RNA表达等）对基因表达的调控，认识不同倍性植物表型可塑性和局域适应性特征，探讨基因组倍性变异与入侵能力的关系及其分子基础，从不同倍性植物基因表达特征、表观遗传调控方式角度揭示多倍体植物具有较强入侵能力的分子机理，为入侵植物的有效防控提供科学依据。

本项目对入侵植物加拿大一枝黄花多倍化及其入侵性的分子基础进行了研究，探讨多倍体植物具有较强入侵能力的分子机理。.入侵我国的加拿大一枝黄花自然种群均为六倍体，栽培种群为二倍体，六倍体细胞型植物生长快，抗逆性强，二者叶片差异表达基因与次生代谢物、倍半萜和三萜类化合物、异黄酮、黄酮和黄酮醇生物合成等途径密切相关，还鉴定出多个差异表达miRNA，其靶基因中有编码转录因子、DNA甲基转移酶及胁迫应答相关基因，推测这些基因与miRNAs的表达与六倍体细胞型更强的抗逆性相关。.六倍体与二倍体细胞型根部差异代谢物以萜类、苯丙酸类、黄酮类、生物碱类等为主，根部差异表达基因、miRNA的靶基因主要参与次生代谢、代谢途径、植物与病原菌互作以及植物激素信号转导、倍半萜和三萜类化合物、黄酮类的生物合成，可能在次生代谢物合成过程中发挥重要的调控作用，有助于化感作用的形成，使其在入侵过程中更具有优势。.热胁迫下六倍体细胞型叶中涉及蛋白质折叠、胁迫响应、热激蛋白、分子伴侣、光合作用、光反应、次生代谢物合成等基因表达发生变化，相应蛋白质合成也变化，推测这些基因及蛋白质与应对热胁迫有关。盐胁迫下加拿大一枝黄花参与到代谢过程、膜、细胞组分、催化活性相关的基因表达变化，显著富集的代谢途径为光合作用-天线蛋白、类胡萝卜素生物合成、蛋白酶体、代谢通路等，盐胁迫下差异合成蛋白与单有机体代谢过程、氧化还原酶活性、蛋白代谢等有关，参与到核糖体、乙醛酸和二羧酸代谢和光合有机物碳固定代谢途径。郁蔽条件下六倍体细胞型叶中与光合作用、细胞膜与细胞壁、抗氧化作用相关基因及一些转录因子基因表达发生变化，可能与其响应郁蔽环境有关。.本项目为揭示加拿大一枝黄花多倍化在入侵中的作用机理提供了基因表达调控方面的依据，在生态学、植物学重要SCI期刊上发表研究论文7篇，培养研究生6名（其中2名已毕业获得博士或硕士学位），按计划完成了项目任务。