花楸树应答夏季高温环境胁迫机制与基因发掘

Rowan (Sorbus pohuashanensis), a native species to north of China, has a high ornamental value due to the appearance of its leaves, flowers, and fruit in different seasons. The wild resources of this species are distributed in the subalpine and high mountains with altitude ranging from 800 to 2200 m. When it is introduced in the area of low altitude, “Leaf　sunburn” in summer is the key problem to influence its utilization. In this study, using the technology of electronic microscopy and method of physiology, the reason of “Leaf sunburn” and the physiology and biochemistry mechanism of heat-responsive in summer will be discovered. Meanwhile, through high-throughput sequencing technologies, the transcriptome and proteome information database in S. pohuashanensis will be established. And after the correlation analysis of the two omics data, the sophisticated summer heat-responsive molecular network mechanism in S. pohuashanensis will be explored at systematic biological level. In addition, genes related to heat resistant of S. pohuashanensis will be identified for further studying this species at gene level. The main aims of this study are to explore the molecular network and collaborative responsive mechanism to heat stress in summer at low altitude area and provide the basic information for genetic improvement and heat-resistant varities breeding of S. pohuashanensis.

花楸树（Sorbus pohuashanensis）为我国北方特有集观叶、观花、观果一体的乡土景观树种，其野生资源分布于海拔800～2200 m亚高山及高山上，其引种低海拔地区越夏产生的叶片“日灼”问题是影响其资源开发利用的关键。本项目利用电子显微技术与生理学的方法，观测花楸树夏季高温胁迫下叶片细胞超微结构和相关生理生化指标的变化，从形态、生理层面了解花楸树高温胁迫下叶片产生“日灼”的原因与应答机制；通过高通量测序技术，建立花楸树转录组和蛋白质组信息库，并通过两个组学的数据结果的关联分析，探究花楸树应答夏季高温胁迫的分子调控网络机制；借助转录组学与蛋白质组学的互补性，发掘花楸树耐热基因，为从基因水平上研究花楸树提供基础信息。研究旨在全面分析花楸树引种低海拔地区应对夏季高温胁迫的分子网络协同应答机制，为花楸树遗传改良与耐热品种选育提供理论依据。

花楸树是我国北方集观叶、观花、观果于一体的乡土景观树种，其野生资源自然分布于海拔800~2200m的亚高山极高山上，引种至低海拔地区存在对夏季高温环境适应性差的问题。为此，本项目采用电子显微技术与生理学的方法，对高温胁迫下其叶片细胞超微结构和相关生理生化指标进行了测定，结果表明高温胁迫6h后其叶片细胞中叶绿体结构被破坏，叶绿体类囊体片层减少，嗜脂颗粒积累，囊泡数目增加；高温胁迫后叶片细胞的叶绿素荧光参数均有不同程度的降低，光合作用PSⅡ的暗反应过程受阻；丙二醛含量增加，应激响应渗透调节物脯氨酸、可溶性糖含量增加，细胞膜出现损伤，胞内物质外流，细胞渗透压发生改变；POD、SOD、APX酶活性降低，活性氧在细胞内发生了累积。利用PacBio-HiFi三代测序和Hi-C技术组装了染色体水平的基因组，花楸树全长基因组大小为660Mb，定位于17条染色体。利用转录组和蛋白组技术对人工模拟高温胁迫8h后的叶片进行了测序分析，共获得1,221个（752个上调，469个下调）差异表达基因、92个（51个丰度上调，41个丰度下调）差异蛋白，这些差异基因或差异蛋白主要涉及钙信号通路、植物激素信号转导、热激因子、分子伴侣、蛋白泛素化降解、细胞自噬、活性氧清除和能量代谢等。在自然高温胁迫下，转录组分析鉴定了182个参与调控花楸树日灼现象的差异表达基因，其中HSP-Hsf途径显著富集，此外，一些转录因子（TFs）和类黄酮生物合成途径在花楸树日灼现象的形成中起到重要调控作用。对Hsfs基因家族进行了鉴定分析，发现在高温胁迫下HsfA类基因显著上调；克隆了3个HSP70基因、2个HSP20基因，发现这5个基因在高温胁迫下显著上调表达，转基因拟南芥异源验证发现除了SpHSP70-3对高温胁迫具有负调控作用外，其它4个基因对高温胁迫均具有正调控作用。这些结果为花楸树引种驯化及遗传改良提供基因信息资源。