青藏高原地区野生蔬菜青海茄参抗寒相关基因筛选及其在低温适应中的作用

Temperature is one of the most important factor affect vegetable growth and development, especially in the winter vegetable production, continuous extreme low temperature in winter affected the yield and quality of facilities vegetables. Response to low temperature stress, a lot of vegetables formed a complete set of adaptability in physiological and biochemical, anatomical structure and metabolism in the long process of evolution. Mandragora chinhaiebsis, one species of the Solanaceae, is widely distributed in Qinghai province and shows extreme adaptation to low temperature cold climate of Qinghai-Tibetan Plateau. In this project, we will use methods of proteomics, transcriptomics, functional genomics and metabonomics to research the influence of different temperature on the leaf growth and metabolism of Mandragora chinhaiebsis. First, the dynamic change of protein expression level and secondary metabolites in Mandragora chinhaiebsis leaf under different temperatures will be investigated. Then, we will analyze expression distribution, variation rule and regulation methods of their encoding genes. The localization of the key genes in tissue cells and chromosomes will be investigated with immunohistochemistry and multicolor fluorescent in situ hybridization technology, to determine the metabolic pathways and interactions of the key genes on enhancing leaf low temperature adaptability of Mandragora chinhaiebsis. The aim of this peoject is to get thorough understanding for the uniqueness of cold resistance related gene constitution, gene expression regulation and molecular adaptability of plateau wild vegetables, and then clarify the function and regulation mechanism of the key cold resistance genes in adaptation of Mandragora chinhaiebsis to low tempretrue.

温度是影响蔬菜生长发育最重要的因子之一，尤其是在越冬蔬菜生产中，冬季的连续极端低温严重影响设施蔬菜的产量和品质。应对低温胁迫，许多蔬菜在漫长的进化过程中形成了一套完整的生理生化、解剖结构和新陈代谢方面的适应性。本项目以极适应青藏高原低温冷凉气候的野生蔬菜青海茄参为研究材料，利用蛋白质组学、转录组学、功能基因组学及代谢组学的方法研究不同温度对青海茄参叶片生长发育和新陈代谢的影响，检测不同温度条件下青海茄参叶片蛋白质表达水平和次生代谢产物动态组成的变化，分析其编码基因的表达分布、变化规律及调控方式；利用免疫组化和多彩色荧光原位杂交技术对关键基因进行组织细胞定位和染色体定位，确定其提高青海茄参叶片低温适应性的互作方式和代谢途径，深入了解高原野生蔬菜在抗寒相关基因组成、基因表达调控及分子适应性方面的独特性，揭示关键抗寒基因在青海茄参低温适应性中的作用和调控机理。

低温胁迫是影响蔬菜生长发育最重要的因素之一，对于低温的耐受能力在越冬蔬菜的生产中至关重要。青海茄参对高原低温冷凉环境表现出极强的适应性，为了明确相关抗寒基因在青海茄参低温适应性中的作用，本研究以转录组学、蛋白质组学和代谢组学为基础展开数据挖掘与分析。研究结果鉴定到2914个差异基因（DEGs），231个差异蛋白（DAPs），96个显著差异代谢物；确定19对DAPs与DEGs之间存在关联，克隆获得黄酮类生物合成代谢通路相关基因McACT；确定差异代谢物和差异基因共同参与的主要生化途径和信号转导途径有11条，克隆获得叶绿素a/b结合蛋白基因McCAB11；0℃低温胁迫24h内McACT表达量显著上升，12h达到峰值，McCAB11表达量显著下调，12h达到最低；McACT基因编码蛋白分子量为50229.99kD，含有14个丝氨酸、10个苏氨酸和5个酪氨酸位点；McCAB11基因编码的蛋白分子量为16719.12，氨基酸中第 1～140位包含典型的捕光叶绿素 a/b结合蛋白功能域，含有5个丝氨酸和3个苏氨酸位点；二者均为不含跨膜结构没有信号肽序列的亲水性蛋白；分析了多条代谢通路，筛选出12个相关抗寒基因，分别属于植物激素信号转导通路、光合作用-天线蛋白通路和亚油酸/α-亚麻酸代谢通路，均与低温胁迫响应相关，验证了其在低温条件下的表达模式；同时，筛选了最适宜青海茄参种子萌发的培养基，获得了无菌苗，确定了最适宜的愈伤组织诱导培养基，明确其低温适应范围；通过农杆菌侵染初步构建了遗传转化体系；基于代谢组学技术鉴定青海茄参根叶果中主要药用活性物质，完成了34种主要活性成分网络药理分析。本研究初步揭示相关抗寒基因在青海茄参低温适应性中的作用和调控模式，为今后更好地利用其抗性基因对低温敏感茄科蔬菜作物进行遗传改良奠定基础，期望随着研究的深入能够培育出多抗寒性的蔬菜新品种。