苔藓植物交叉胁迫记忆的时间动态及种群差异

The phenomenon that a plant which has been exposed to a stress maintains its modification after the stress has been applied, and enables the plant to respond quicker and more adequate to a recurrent stress is defined as "stress memory". Stress memory plays an important role in environmental adaptation of plants. However, at present most experiments investigating the stress memory are from the perspective of molecular biology and cell biology with time spans less than 1 week and only a few reports have investigated the stress memory from the perspective of ecology. This project first selects bryophytes as the study materials and studies the cross stress memory in the bryophytes at time spans of short-, medium- and long-term respectively at the same time. The mechanisms and regulation pathways are well discussed by analyzing the physiological indices and gene expression profile. A comparative analysis will also be done on the stress memory and its regulation mechanisms for populations originated from different latitude, which aims to discuss the relationship of evolution and stress adaption. The present project combines the objectives of ecology, physiology and molecular biology, comprehensively discusses the data at different time scale and spatial scale, which will provide a profound basis for a deep understanding of the inherent laws, mechanisms and evolution of the stress memory in plants.

植物在胁迫条件下会产生一系列的响应，在胁迫结束后植物的一些状态仍然保留下来并提高植物对重复发生的胁迫的抗性，这就是胁迫记忆。胁迫记忆在植物对环境的适应中起着重要的作用，但目前有关胁迫记忆的研究多从细胞生物学和分子生物学的角度进行，胁迫时间间隔内多在一周以内，从生态学的角度对植物胁迫记忆的研究仍匮乏。本研究以苔藓植物作为研究材料，探讨苔藓植物在短期、中期和长期3个不同的时间间隔尺度上对低温和干旱的交叉胁迫记忆特征，通过生理指标分析及基因表达谱分析探讨其内在机理和调控途径，并分析氮营养对植物胁迫记忆的影响；同时对比研究来源于不同纬度种群的胁迫记忆特征及调控机制，探讨环境因子与植物进化及胁迫适应的关系。本项目将生态学、生理学和分子生物学的目标结合，对不同时间尺度和空间尺度上的数据进行综合分析，为深入理解植物胁迫记忆的规律及内在机理和进化机制提供理论依据。

在项目的支持下，我们研究了不同氮沉降条件下大灰藓（Hypnum plumaeforme）和刺边小金发藓（Pogonatum cirratum）对不同时间间隔的重复干旱、重复低温以及交叉胁迫的胁迫记忆特征，在此基础上比较来自不同纬度的这两种藓类植物对低温及干旱胁迫的响应特征、胁迫记忆特征及其代谢通路调节的差异，并对大灰藓在低温处理期间生理响应的时间动态进行了研究。结果显示两种苔藓植物的抗氧化酶活性表现出较明显的胁迫记忆特征，从而使其在再次遭遇同种胁迫或其它类型的胁迫时具有更高的耐性，但这种记忆具有一定的时效性，随着时间间隔的延长，这种胁迫记忆特征趋于减弱至基本消失。另外，30 kg N ha-1 yr-1的NH4NO3处理未对两种苔藓植物的胁迫记忆产生明显的影响。该研究首次提供了藓类植物胁迫记忆的生理指标证据。来自不同种群的大灰藓和刺边小金发藓对低温和干旱胁迫的响应特征存在明显种群分异，来自较高纬度地区的藓类植物更适应低温条件，且其胁迫记忆特征存在明显的不同，对胁迫响应的代谢通路调节亦存在明显的差异，但转录组数据的深度挖掘仍在进行当中，研究结果将为藓类植物的种群分化机理研究提供重要依据。我们的研究还显示，2-4˚C的低温处理导致大灰藓的氧化胁迫，抗氧化活性，光系统II及激素调控等出现较大波动，但至36-84 h后各指标渐趋稳定，且可较好的应对实验设置的低温条件。