低温适应过程中能源植物小桐子可溶性糖积累机制及其与抗冷性的关系

Production of biodiesel and bioethanol using energy plants is a developing trend for agricultural restructuring and environmental improvement. Jatropha curcas L. originating from tropical and sub-tropical areas, is a sustainable energy plant with great potential, and low temperature is an limiting factor for production and distribution. Studies showed that starch degradation and corresponding accumulation of soluble sugar could significantly enhance chilling resistance under chilling adaptation. However, the soluble sugar accumulation mechanism and signal transduction pathways in plant under chilling adaptation are still unclear, and the relationship research on soluble sugar accumulation with chilling resistance in J.curcas has no report. Using J.curcas as experimental material, the present project is going to research: 1. Main metabolic pathways and physiological biochemical mechanisms of soluble sugar accumulation in J.curcas under chilling adaptation; 2. Expression pattern analysis, cloning, and functional characterization of key genes associated with soluble sugar accumulation under chilling adaptation; 3. Genetic transformation of J.curcas using the above key genes to enhance their chilling resistance. The research will clarify soluble sugar accumulation mechanism with the formation of chilling resistance in J.curcas to some extent. These results will be of scientific importance and great potential for further application.

利用能源植物生产生物柴油与生物酒精类燃料是国家农业结构调整和生态环境综合治理的发展方向，作为能源树种，小桐子（Jatropha curcas L.）极具开发与应用潜力，因其原产热带，低温成为限制小桐子产量与种植面积进一步扩大的限制因素。研究表明，低温锻炼中淀粉的降解代谢及相应可溶性糖的积累可有效提高植物的抗低温胁迫能力。但到目前为止，低温锻炼中植物可溶性糖的积累机制及信号转导途径还不太清楚，而对于小桐子关于可溶性糖的积累与抗冷性研究基本还没有报导。以小桐子为研究材料，本项目拟研究：① 小桐子在低温锻炼中可溶性糖积累的主要途径及生理生化机制；② 低温锻炼中与可溶性糖积累相关关键基因的表达分析、分离克隆与功能解析；③ 利用上述鉴定的关键基因，对小桐子进行基因工程改良。本研究成果可以在一定程度上揭示可溶性糖在小桐子抗冷性形成中的作用机制，具有一定的科学意义和应用前景。

研究开发与利用能源植物是国家和云南省能源产业发展的战略需求，小桐子含油量高，油质好，成为理想的生物柴油原料。因其原产热带地区，低温冷害成为限制小桐子地域分布与产业发展的重要环境因素。低温锻炼中，植物通过积累可溶性糖可有效提高其低温抵抗能力，研究小桐子低温锻炼中可溶性糖的积累机制及其与抗冷性形成的关系具有重要的理论与应用价值。本研究通过测定关键可溶性糖含量及代谢途径中关键酶活性的变化，阐明了小桐子在低温锻炼中可溶性糖积累的主要代谢途径及生理生化机制。基于器官与低温锻炼的差异表达特性分析，明确了小桐子可溶性糖积累及抗冷性形成相关的主要基因。克隆关键基因，通过酵母与拟南芥异源表达进行抗冷性功能解析。进一步转化小桐子并进行抗冷性功能验证，揭示了可溶性糖在小桐子抗冷性形成中的分子机制。研究结果表明，通过测定小桐子在低温锻炼中8种关键可溶性糖含量及8种代谢关键酶活性显示，蔗糖的分解产物葡萄糖与果糖在小桐子抗冷性及己糖信号转导途径中发挥重要作用，另外，棉子糖系列寡糖在小桐子抗冷性形成中发挥主要渗透调节作用。对可溶性糖积累相关的11个关键基因进行了器官与低温处理下的表达分析，其中，ZAT10、SnRK2.4、ACO1及PGM3基因在叶片中的表达量较对照上调达到极显著水平。在此基础上，对8个关键基因与信号分子在全基因组水平进行了基因家族鉴定，克隆了12个关键基因。利用克隆的关键基因，构建了6个基因的酵母表达载体与5个基因的植物表达载体，其中，NCED3、SnRK1、ZAT10、HXK2在酵母中过表达可以整体提高酵母菌的低温抵抗能力，另外，NCED3、SnRK1、ZAT10在拟南芥中过表达也可显著提高拟南芥的抗冷性。进一步构建了HXK2与ZAT10低温敏感植物表达载体，通过农杆菌介导转化小桐子及抗冷性功能对比验证，得到了小桐子无性克隆系幼苗。上述研究结果揭示了低温条件下可溶性糖积累的生化代谢途径及其在小桐子抗冷性形成中的生理机制，为小桐子抗冷新品种的培育及产业化提供了重要候选基因。