利用蛋白质组学和代谢组学策略分析骨碎补幼孢子体叶响应高浓度钙离子胁迫的分子机制

High concentration of calcium ions in soil in karst area is one of the important environmental factors affecting vegetation in this area. The dominant plants in karst area have strong adaptability to the high concentration calcium ion stress environment of soil. The research on the stress environment of high concentration calcium ion in karst area at home and abroad is mainly focused on traditional ecology and population ecology. However, there are few studies on the molecular mechanism of plant adaptation to high concentration calcium ion stress environment. This project intends to study the expression pattern changes of young sporophyte leaves of like calcium plant Drynaria fortunei under different calcium ion concentrations in proteome and metabolome levels, and the change rule of morphology and physiology. In order to reveal the possible molecular mechanism of Drynaria fortunei to adapt to the high concentration of calcium ion stress environment, the correlation between the expression pattern changes of proteins, the expression pattern changes of metabolites, the morphological and physiological indexes was analyzed. This study could increase the theoretical understanding of plant stress adaptation mechanism, and provide theoretical basis for regulation of karst mountain desertification and crop varieties breeding in this area. This study can also indicate the directions of molecular breeding in improvement of resistance of crop and ecological plants to high concentration of calcium ion stress. Moreover, this study is of great significance for the acceleration of the karst region ecological reconstruction and improvement of the social and economic benefits in this region.

喀斯特地区土壤的高浓度钙离子含量是影响该地区植被的重要环境因素之一。喀斯特地区的优势植物对土壤的高浓度钙离子胁迫环境具有很强的适应能力。国内外对植物适应喀斯特地区高浓度钙离子胁迫环境的研究主要集中在传统生态学和种群生态学范畴，而对植物适应高浓度钙离子胁迫环境的分子机制研究较少。本项目拟研究不同钙离子浓度条件下贵州喀斯特地区喜钙植物骨碎补幼孢子体叶在蛋白质组和代谢组水平表达模式的变化，及其形态、生理的变化规律。通过蛋白质表达模式变化、代谢物表达模式变化和形态生理指标的相关性分析，揭示骨碎补适应高浓度钙离子胁迫环境的可能分子机制。通过本研究，能增加对植物逆境适应机制的理论认识，为喀斯特山地石漠化治理和该地区作物品种培育提供理论基础，同时为提高农作物和生态植物的抗高浓度钙离子胁迫的分子育种指明方向，对加快喀斯特地区生态重建和提高该地区社会经济效益具有重要意义。

喀斯特地区土壤的高浓度钙离子是影响该地区植被的重要环境因素之一。国内外对喀斯特地区优势植物适应高浓度钙离子环境的分子机制研究较少。本项目利用生理学、蛋白质组学和代谢组学技术分析了骨碎补叶和根茎在0、600和1200 mmol‧L-1钙离子浓度下的变化规律。生理分析表明，过量的钙离子抑制骨碎补的生长。蛋白质组学分析显示，骨碎补叶片差异表达蛋白（共303个蛋白，其中173个蛋白表达上调，130个蛋白表达下调）主要涉及蛋白质代谢，氨基酸代谢，糖和能量代谢，光合作用，抗氧化和防御；骨碎补根茎差异表达蛋白（共147个蛋白，其中96个蛋白表达上调，51个蛋白表达下调）主要涉及信号转导、蛋白质代谢、物质运输、抗氧化和防御。代谢组学分析显示，骨碎补叶片差异表达代谢物（共78个代谢物，其中50个代谢物表达上调，28个代谢物表达下调）主要涉及氨基酸代谢，黄酮类生物合成，木质素生物合成；骨碎补根茎差异表达代谢物（共64个代谢物，其中50个代谢物表达上调，14个代谢物表达下调）主要涉及氨基酸代谢、黄酮类生物合成、木质素生物合成和脂类合成。此外，对4种槲蕨属植物进行生药学鉴定发现，叶表皮特征可作为鉴定依据。同时，对岩石生境和树干生境的骨碎补药材质量比较发现，树干生境的骨碎补药材质量较好。本项目为喀斯特山地石漠化治理和植物抗逆新品种选育提供理论基础，对加快喀斯特地区生态重建和提高该地区社会经济效益具有重要意义。