盐胁迫下胡杨根系生长的可塑性基因功能定位

Roots are vital organs for plants to absorb water and nutrients. Further studies on root growth plasticity under different environment and development stage offer great significance for improvement of agroforestry productivity and plant resistance. Researches of root plasticity had mostly focused on its phenotypic observation, lacking exploration of its underlying genetic variation. How genes guide interactions between root and environment, how genes regulate developmental trajectory changes under distinct environment remain elusive. In this project, full-sib hybrid population of Populus euphratica will be used to study root traits of salt-tolerance, by taking innovative approach of functional mapping, which integrates both high dimensional SNP and high dimensional phenotype data. Mapping of salt-responsive plasticity genes, followed by detailed dissection of their action mode on root phenotype, is going to be implemented, hoping to provide new insights into genetic mechanism of root salt-tolerance, and to provide theoretical basis for genetic improvement of tree root.

根系是植物吸收水分与养分的重要器官，对不同环境下不同发育时期根系生长变化，即根系可塑性的深入研究，将为农林生产力的提高、植物抗性改良提供重要意义。目前根系可塑性的研究大多局限于表型观察，对其遗传变异缺乏探索。基因与环境的动态交互作用，环境对根系发育轨迹的调控机制尚不清楚。本项目将利用功能定位并结合高维SNP和高维表型数据的创新手段，以根系耐盐生长为研究对象，以胡杨全同胞杂交群体为材料，通过定位盐胁迫下根系生长的可塑性基因，揭示基因随环境、发育进程对根系表型的详细作用方式，为胡杨根系的耐盐可塑性遗传机理提供新的思路，也为林木根系的遗传改良提供理论基础。

根系是植物吸收水分与养分的重要器官，对盐胁迫环境下不同发育时期根系生长变化，即对根系可塑性的深入研究是林木根系遗传改良的重要基础。本研究基于胡杨杂交全同胞群体开展对照与盐胁迫的生根试验，调查各类根系随时间变化的表型动态，利用功能作图对生长曲线的整合，对根系生长的动态进程进行QTL定位。其主要结果包括：1. 基于试管透明培养基的根系生长试验，搭建了根系旋转拍照平台，利用多角度根系图片开发了三维立体根系结构的构建技术，实现无损伤且动态式获取根系表型的目标。2. 利用课题组的胡杨组织培养无性系化体系开展群体水平的生根试验，设计对照与盐胁迫条件的生根试验。盐胁迫对初生根数量的抑制作用较弱，对侧根数量的抑制作用较为显著，对初生根长度的抑制表现在所有阶段，对侧根则在中后期抑制明显。3. 利用功能作图，对照条件下定位到781个显著SNPs调控不同根系性状，可注释到146个功能基因，参与细胞分裂调控、抗病调控、根原基形成等生物学过程。盐胁迫下不同性状共定位到501个显著SNP，与对照条件下共享19个相同的重要调控基因，其中16个可同时调控多个根系性状，如耐盐HKT1-like基因、PPR家族蛋白基因、GDSL酯酶、表皮特异分泌糖蛋白EP1-like、E3泛素连接酶KEG-like等。4. 进一步对重要基因的根系表型生长曲线开展最大生长加速度时间点、最大减速度时间点、线性增长期的持续时间的分析，发现胡杨HKT1-like等基因对根系不同性状的生长影响具有环境可塑性。上述结果对系统阐明盐环境如何具体整合基因调控根系动态生长以及对深入揭示胡杨耐盐机制起重要作用。