能源植物小桐子抗冷性提高过程中转录组的变化及其关键基因的功能解析

Research and development of energy plants is a strategical demand for Yunnan province and our country. Jatropha curcas L.is a sustainable energy plant with great potential for biodiesel production, and low temperature is an important limiting factor for distribution and production of J. curcas. We found that there was obvious variation of chilling resistance in J. curcas from different provenances, and chill-hardening could significantly enhance chilling resistance of J. curcas seedlings. Based on our previous work and Illumina Hiseq 2000 sequencing platform, using two populations of J. curcas with different chilling resistance as experimental material, the present proposal is going to study: 1. changes of transcriptomes and their analysis and comparison in J. curcas seedlings during chill hardening-enhanced chilling resistance, and construction of chilling-responsive EST libaries; 2. analysis of spatio-temporal expression pattern of chilling-responsive genes, and cloning and functional characterization of those key chilling resistance-related genes; and 3. genetic transformation of J. curcas using the above-mentioned key chilling resistance-related genes to enhance their chilling resistance. The research will elucidate molecular machanisms of formation and enhancement of chilling resistance in J. curcas to some extent, clone some key chilling resistance-related genes, and improve chilling resistance of J. curcas by genetic engineering. These results will be of scientific importance and great potential for further application.

研究开发和利用能源植物是国家和云南省产业发展战略的需求，小桐子（Jatropha curcas L.）是具有巨大开发潜力的能源植物树种，低温是限制小桐子产业发展的重要环境因素。我们发现不同种源的小桐子抗冷性有明显差异，低温锻炼可显著提高小桐子抗冷性。基于前期工作基础及Illumina Hiseq 2000高通量测序技术平台，以两个抗冷性有显著差异的小桐子种群为材料，本项目拟研究：① 低温锻炼提高小桐子抗冷性过程中转录组的变化与分析比较，构建对低温响应的EST文库；②与小桐子抗冷性提高相关关键基因的时空表达分析、分离克隆与功能解析；③利用上述克隆的抗冷性相关关键基因，对小桐子进行基因工程改良。本研究成果将在一定程度上揭示小桐子抗冷性形成和提高的分子机制，克隆出抗冷性相关关键基因，获得抗冷性提高的转基因小桐子材料。研究成果具有重要的科学意义和潜力巨大的应用前景。

小桐子（Jatropha curcas L.）由于其种子具有较高的含油量，被认为是具有生产生物柴油潜能的重要可持续能源植物。小桐子起源于热带和亚热带地区，是一种冷敏植物，低温是影响其存活、生长、发育、产量和地理分布的主要环境因子，也是限制小桐子产业发展的主要瓶颈。因此，弄清小桐子抗冷性提高的生理生化和分子机制，具有重要的理论和实际意义。. 本项目研究了低温锻炼提高小桐子抗冷性过程中转录组的变化与分析比较，构建了对低温响应的EST文库；分析与验证了小桐子抗冷性提高的主要生化与分子途径及抗冷性提高相关关键基因的时空表达。分离克隆了抗冷性相关关键基因并进行功能解析与验证。. 我们的研究结果表明，低温锻炼可显著提高小桐子幼苗的抗冷性。通过高通量测序技术，我们得到了小桐子低温锻炼条件下的转录组数据，构建了对低温响应的EST文库；通过数字基因表达谱分析揭示了小桐子抗冷相关基因的表达模式及参与的主要代谢途径，阐明了22个抗冷相关基因在根、茎及叶中的表达模式。发现抗氧化系统（包括抗氧化酶和抗氧化剂）活性增强、渗透调节物质含量的增加及细胞渗透调节能力提高、膜脂质组组分、含量和种类的适应性变化、功能和调节性基因的选择性和适应性表达是低温锻炼提高小桐子抗冷性的四类主要的分子机制。另外，基于以上结果综合筛选，克隆了15个抗冷相关关键基因的全长cDNA，并对其进行了生物信息学分析，并通过酵母异源表达和转基因烟草进行了功能鉴定。. 这些研究结果目前共发表论文26篇，其中SCI论文10篇。3名博士生和2名硕士生获得了相应的学位。. 本项目研究结果有助于阐明小桐子抗冷性形成的分子机制，得到的Unigenes序列极大地丰富了目前NCBI中小桐子的核酸数据库，克隆到的抗冷相关基因为后续通过基因工程手段对小桐子进行改良提供了重要的理论与实践基础。