梭梭木射线细胞厚壁结构形成及其对贮藏和径向运输的影响

Researches on the unique structure and function of the xylem are conducive to understand its adaptation mechanism to adverse conditions. Haloxylon ammodendron is the dominant species in Gurbantunggut desert vegetation, previous studies indicated the thickened wall structure exists in its xylem ray cells, but the cause is still unclear. Combining field investigation with simulation methods, the xylem ray tissue anatomical characteristics of H. ammodendron at xylem activity stage in different edaphic types are observed; the light intensity, air temperature, soil water and nitrogen treatment are simulated and dynamic characteristics of the anatomical structure, auxins content, histochemistry and proteome are observed to understand the differentiation and development process of xylem ray tissue of the plant, illustrate the relationship between wall thickness of wood ray cell and ray height, width, as well as cell area, and analyze the influence of wood ray cell wall thickness on storage and radial translocation. We expect to discover the new protein related to thick wall structure of H. ammodendron xylem rays, and then explore the formation mechanism of thick-walled structure of rays based on the methods of molecular biology, histochemistry and physiology. The results of this experiment will not only provide theoretical data and case analysis of internal mechanism and the way the desert plant adapt to the stress environment, but also provide a scientific significance on revealling formation of wood quality.

木质部特殊结构和功能的研究有助于解读其对逆境的适应机理。梭梭为古尔班通古特沙漠植被优势种，前期研究发现木射线细胞具有厚壁结构，但其形成原因尚不清楚。项目采用野外调查与模拟试验相结合方法，观测不同土壤类型木质部活动期梭梭木射线解剖特征；设置不同光照、温度、土壤水分和氮胁迫处理，研究梭梭木射线解剖结构、激素、组织化学和蛋白质组动态变化规律，以期阐明梭梭木射线分化和发育过程，弄清梭梭木射线细胞壁厚度与射线高度、宽度、细胞面积等解剖特征间的关系，分析梭梭木射线细胞壁厚度和纹孔特征对贮存和径向运输功能的作用规律。有望发现与梭梭木射线厚壁结构有关的新蛋白，进而从分子生物学、组织化学、生理学等方面探索梭梭木射线细胞壁厚壁结构形成机制。研究结果可为荒漠植物木质部适应逆境的内在机理和方式研究提供理论数据和个例分析，同时对于科学揭示木材品质形成具有重要意义。

梭梭为古尔班通古特沙漠植被优势种，研究木质部特殊结构和功能有助于解读该物种对逆境的适应机理。前期研究发现梭梭木射线细胞具有厚壁结构，但其形成原因尚不清楚。为此，项目采用野外调查与模拟试验相结合方法开展研究，研究结果发现，梭梭幼苗苗龄1个月时即可观察到木射线，表明梭梭木质部射线是永久存在的。梭梭木质部射线呈现明显的季节和年际动态变化，可能是由于环境因子的季节变化所致。遮阴、土壤水分（降水）、施氮处理对梭梭木质部解剖结构有显著影响。梭梭射线细胞壁均为厚壁结构，且与降水量呈显著正相关。在更干旱的地区，梭梭提高射线密度、高度和宽度，以增加水分贮存。梭梭木质部射线组织比量越大，其提供给NSC(非结构性碳水化合物)的储藏空间越大，有利于木质部储存更多的NSC。梭梭木质部蛋白质组学分析表明，一共有6767条肽段和3076个蛋白被鉴定到。设定差异变化大于1.2倍（P＜0.05）为差异蛋白筛选条件，共发现795个上调差异蛋白点和421个下调差异蛋白点。有6810、6685和3317个差异蛋白点的功能分别与生物过程、细胞组分和分子功能有关。共有1041个差异蛋白分别匹配到119条通路中。其中，苯丙素生物合成通路（Phenylpropanoid biosynthesis）、光合作用（Photosynthesis）、糖酵解/糖异生（Glycolysis / Gluconeogenesis）等通路与梭梭木质部细胞壁形成有关。可溶性糖径向运输速率与导管长度（P＜0.05）、导管直径和射线高度呈显著正相关（P＜0.01）；淀粉径向运输速率与导管长度、导管直径间呈极显著正相关（P＜0.01），与射线宽度和射线细胞壁厚度呈显著负相关（P＜0.05）；NSC径向运输速率与导管直径、射线高度间呈极显著正相关（P＜0.01）。梭梭木质部径向运输功能与木射线和导管解剖结构有关，且呈明显季节和年际动态。项目从分子生物学、生理生态学等方面探索梭梭木射线细胞壁厚壁结构形成机制，研究结果可为荒漠植物木质部适应逆境的内在机理研究提供理论参考。通过本项目资助，已发表5篇北大中文核心期刊，1篇SCI文章，1篇SCI文章在投， 1项发明专利授权，拟出版1部学术专著。