丛藓目、紫萼藓目植物抗旱特征与分子进化的研究

Many species of Pottiales and Grimiiales that grow on bare rock, thin soil or rock walls are common drought tolerant mosses, and have strong vitality. They may serve as ideal resources for the study of drought-resistant characteristics of mosses. In the item, combining plant structure, metabolomics, genomics and proteomics, representative species of Pottiales and Grimiiales are taken as materials to discuss drought-resistant characteristics systematically and comprehensively, and summarize the drought-resistant disciplines as much as possible. On the further study of anti-adversity of mosses, the conclusion can provide important references and foudations, have important theoretical and practical significane. Furthermore, using moleculor fragments suca as rps4, ITS, trnL, rbcL, the controversial system location of Pottiales and Grimiiales will be verified and enriched. At the same time, screening drought-related genes (ALDH21A1) from bryophyte and model plants such as rice and Aabodipsis, the application to moss evolution and classification will be assessed, new evidence and indorsement will be supported. This will have vital scientific value, theoretical and practical sinificance.

丛藓目和紫萼藓目植物中的许多种类能生长于裸露岩石、岩石薄土或石壁上，生命力极强，为典型的旱生藓类，是研究藓类植物抗旱特征的理想材料。本项目拟以丛藓目和紫萼藓目植物内具有代表性的科属为实验材料，结合植物结构学、代谢组学、基因组学、蛋白质组学和生物信息学，系统全面的研究其抗旱特征，总结出其抗旱特征规律，为深入研究藓类植物的抗逆特征提供参考和依据；利用rps4、ITS、trnL、rbcL等分子片段对丛藓目和紫萼藓目内有争议的科属系统位置作进一步的验证和完善；同时从苔藓植物和模式植物（如拟南芥、水稻）中筛选已发表的抗旱相关基因（如ALDH21A1），探讨它们在藓类植物系统进化与分类中的应用，为藓类植物的分子进化研究提供新的证据和支持，具有重要的科学价值及重要的理论和实际意义。

本研究对丛藓目和紫萼藓目部分植物代表植物从结构植物学、代谢组学和基因组学等方面进行了研究，取得了一些有意义的科研成果，为进一步开展丛藓目和紫萼藓目植物的耐旱特征研究以及开发利用其基因资源提供了有意义的科学依据。.研究表明：1. 通过石蜡切片和电镜技术分别对干旱1年和5年的东亚砂藓和毛尖紫萼藓复水后植物的细胞形态和叶绿体、线粒体等超微结构进行观察，发现2种植物的细胞结构及亚显微结构都能在复水后1min的时间内即可恢复完整的结构。2. 对东亚砂藓、毛尖紫萼藓、土生墙藓进行了干旱处理，从6种生理指标的研究结果发现3种藓类具有不同于其它植物的特殊抗旱生理机制。复水后，东亚砂藓的渗透调节物质修复-补偿能力较强，毛尖紫萼藓的抗氧化修复能力较强，山墙藓的保水能力较强。3. 低温胁迫下对东亚砂藓和毛尖紫萼藓进行生理指标的测定，结果显示极端低温并没有对两种藓造成不可恢复伤害，说明两种藓类植物均能够适应极端低温。4.对东亚砂藓复水的5个时间点进行代谢组测定，在50组样品中功能检测到有效峰632个，其中可在DEGG和PubChem数据库中识别的代谢产物共559种（含内标）。发现亚砂藓复水前后组织内代谢产物组成和含量发生了剧烈的变化。5. 从毛尖紫萼藓干旱cDNA文库中挑选了3条与抗旱相关的基因：GpPsbR、 GpOsmC、GpUCH，获得了3条基因的全长，并进行了生物信息学分析；成功构建了克隆载体PGpPsbR、PGPOsmC、PGpUCH；荧光定量PCR结果表明，GpPsbR、GpOsmC、GpUCH基因在不同的复水和干旱处理下都有表达，说明GpPsbR、GPOsmC、GpUCH基因可能参与了毛尖紫萼藓干旱机制的调节。成功构建了植物表达载体PRI-GpPsbR、PRI-PGPOsmC、PRI-GpUCH，并采用农杆菌介导法转到烟草基因组中，获得了68株卡那霉素抗性的植株，其中有15株经PCR验证呈阳性；测定T1代转基因植株相关的生理生化指标，转基因植株可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛、脯氨酸的含量均明显高于野生型植株的含量。同时对净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、Fv/Fm、qP等光合指标的测定发现转基因植株光合利用效率较野生型植株高。T1代转基因烟草在抗旱方面明显优于非转基因植株。