野生枇杷适应贵州喀斯特地区高钙土壤的生理与分子机制

Rocky desertification is a major ecological and environmental problem which restricts the sustainable development of the Karst area in Southwest China. The carbonate rock is the material basis for Karst ecological system, so the region has a strong selectivity for plant species, which are mostly saxicole, drought-resistant and calciphilous. Currently, mechanisms of plant adaptation to high-calcium soil were little researched on Karst areas, especially the study about high-calcium adaptation mechanism of fruit trees. We found that loquat (Eriobotrya japonica Lind.) is a calciphilous plant, and the calcium contents in roots and leaves are relatively high. They are widely distributed and grow well in the high-calcium soils of Guizhou Karst area. For this, we will conduct research by the wild loquat plants mainly includes three aspects as follows: (1) The adaptation way of wild loquat on high calcium soil will be analyzed; (2) Using the pot method, the growth and physiological characteristics of wild loquat, will be studied in the different calcium content soil (high-calcium, medium-calcium, low-calcium), together with storage parts of calcium in loquat; (3) Cloning and expression analysis of cyclic nucleotide-gated ion channels (CNGC) related gene in wild loquat will be researched. This study will help revealing the physiological and molecular mechanisms of wild loquat adaptation to high-calcium soil in Guizhou Karst area, and providing a theoretical reference for the development of local loquat planting industry and rocky desertification control.

石漠化是制约我国西南喀斯特地区可持续发展的重大生态与环境问题。由于碳酸盐岩是构成喀斯特生态系统的物质基础，因此该地区对植物种类有强烈的选择性，大多具有石生性、耐旱性和喜钙性。然而，人们对植物（尤其是果树）适应高钙环境的机制知之甚少，相关研究也非常缺乏。在前期研究中，我们发现枇杷是一种喜钙植物，其叶片和根中的钙含量较高，在贵州喀斯特地区高钙土壤中分布广泛且生长良好。本项目拟以野生枇杷为试材，开展以下三方面研究工作：（1）探究野生枇杷对高钙土壤的适应的方式；（2）不同钙含量（高钙、适钙和低钙）土壤对野生枇杷生长发育及生理代谢的影响，确定主要的储钙部位；（3）枇杷钙通道蛋白CNGC目的基因克隆及其表达分析。本项目的开展将为阐明野生枇杷适应贵州喀斯特地区高钙土壤的生理与分子机制奠定基础，也为当地枇杷种植业的发展和石漠化治理提供理论参考。

项目以贵州喀斯特地区的高钙土壤中的野生枇杷为研究对象，重点研究了野生枇杷对高钙土壤的适应的方式，在此基础上以高钙土壤中典型的野生枇杷实生后代为试材，研究了不同钙含量土壤对野生枇杷生长发育及生理代谢的影响，确定主要的储钙部位；分析了枇杷钙通道蛋白CNGC目的基因基因对枇杷适应高钙土壤的调控作用。取得的主要结果如下：首先，喀斯特地区野生枇杷叶片的钙含量与土壤钙含量间有显著的正相关关系，且叶片中钙含量显著的高于根系，表明枇杷属于高钙型植物。其次，试验前我们推测枇杷的叶片是主要的储钙部位，但实际上枇杷枝条韧皮部中的钙含量也很高，地上部的钙含量显著高于根系。说明枇杷能适应高钙环境不仅是叶片在起作用，枝条的作用也很大，而枇杷根系仅负责钙的吸收和转运，不储钙。再次，在盆栽试验下，低于贵州喀斯特地区平均钙含量的处理（T1和 T2）会促进枇杷幼苗的生长及抗氧化保护酶活性的提高；但是高于此浓度会显著的抑制枇杷幼苗的生长。说明野生枇杷会通过矿质元素的吸收、渗透调节物质含量的变化，以及抗氧化保护酶活性和抗氧化物质含量的提高调控野生枇杷对高钙坏境的适应性，但是钙离子浓度超出野生枇杷的调控范围后同样会抑制其自身的生长。同时我们还发现栽培枇杷对高钙环境也有一定的适应性，只是耐受浓度比野生枇杷低。最后，通过枇杷钙离子通道蛋白3个相关基因的荧光定量表达分析得出，野生枇杷在不同的钙浓度土壤中，基因EjCNGC1、EjCNGC2和EjCNGC3在根和叶片中会产生不同的响应，其表达量的差异可能是野生枇杷为适应高钙土壤环境做出的自身调节机制，其中EjCNGC3在叶片中对钙浓度反应最敏感。该研究结果对于揭示植物适应高钙环境的响应机制，以及利用野生枇杷推进贵州喀斯特地区的生态治理具有重要意义。