水生植物组成型通气组织形成过程及细胞程序性死亡（PCD）的信号调控途径

Constitutive aerenchyma is a channel for gas exchange formed in aquitic plants during their morphogenesis. The function is to enhance gas transport between shoot and root for maintaining the normal physiological metabolism of root, and to increase adaptability to hypoxia condition. In the past studies, the aerenchyma formation is mainly reported at histological levels and lack of cytological essence from developmental points. Finally, great dispute was arisen in their developmental types, and the mechanism of PCD-susceptible cells deathis still unknown from molecular biology points of view. The aims of this research are to research on the constitutive aerenchyma formed in Typha angustifolia, Trapa pseudoincisa, and Potamogeton perfoliatus. Comparative study on constitutive aerenchyma ontogenesis and their development types in 3 aquitic plants, using light microscope, transmission electron microscope, and molecular detection. Further to study the DNA fragmentation and genes regulatory pathway during PCD process of constitutive aerenchyma formation by molecular biological techniques. And combine with the role of ROS and Caspase3-like protein on constitutive aerenchyma induction and inhibition, study on signal regulations of constitutive aerenchyma formation. To discuss the molecular mechanism and regulatory route of PCD process during constitutive aerenchyma formation. The research will provide new research ideas and theoretical evidences for improving adaptation of aquatic plants to oxygen-deficient conditions.

组成型通气组织是水生植物形态发生过程中形成的气体交换通道，将氧气从地上部分运输到根内，以维持正常的生理代谢，提高其对低氧环境的适应性。以往对通气组织形成方式的研究主要在组织学水平上，缺乏对其发育过程的细胞学研究，导致不同学者对组成型通气组织类型存在很大争议，且对组成型通气组织的发生机制尚不清楚。本项目拟以香蒲、格菱和穿叶眼子菜等水生植物组成型通气组织为研究对象，运用显微镜技术和分子检测技术比较研究3种水生植物组成型通气组织的发生发育规律和形成方式；利用分子生物学技术研究组成型通气组织细胞程序性死亡（PCD）形成过程中核DNA断裂及基因调控通路；结合活性氧和Caspase3-like蛋白对组成型通气组织的诱导和抑制作用，研究组成型通气组织PCD过程的信号调控，探讨组成型通气组织形成过程中PCD发生分子机制及调控途径，为提高水生植物对环境的适应性研究提新思路和理论依据。

通气组织的形成是湿地植物的组织、器官在长期进化过程中形成的一种适应性策略，其主要功能是将氧气从地上运输到根内的通道，对植物正常生理代谢的维持具有重要的生物学意义。通气组织的类型多数情况下是通过观察成熟通气组织结构而得出的结论，尚缺乏对通气组织发生、发育和形成全过程的细胞学本质的研究。且通气组织的形成过程中细胞程序性死亡 (programmed cell death，PCD)的细胞学和分子生物学事件了解的不够清楚，对其发育调控过程的理解还存在很大的缺陷。本项目拟以香蒲、格菱和穿叶眼子菜等植物组成型通气组织为研究对象，从通气组织发生、发育和形成过程，乙烯等信号分子对通气组织形成过程等方面的研究，初步探讨了组成型通气组织形成过程中PCD发生分子机制及调控途径。. 首先，从植物形态发生学和细胞学的角度，从不同的层次上证实了格菱、香蒲和穿叶眼子菜等植物通气组织的形成过程中有细胞破毁和降解的发生。因此，水生植物通气组织形成过程是一个细胞程序性死亡过程，三类植物通气组织的形成方式都是溶生型。. 其次，在植物通气组织形成过程的PCD细胞学事件中，细胞核或者液泡膜破裂最早发生；随后，细胞质中产生大量的囊泡，细胞器降解，细胞内含物的降解；质膜的降解是通气组织PCD的一个关键过程；细胞壁最后降解或者没有彻底降解，最终导致细胞死亡形成溶生型通气组织。. 第三，通气组织信号调控网络中，1-MCP处理后，能明显抑制乙烯诱导通气组织的形成，但不能抑制AT诱导通气组织的形成，在通气组织PCD调控中，乙烯是活性氧的上游信号分子，经活性氧将PCD信号传递给下游信号； Caspase 3-like蛋白在乙烯、活性氧的诱导下表达水平升高，且其活性的表达与乙烯和活性氧信号调控通气组织的形成具有一致性，表明Caspase 3-like蛋白作为下游信号来调控PCD的发生。. 第四，在国内外核心期刊上发表研究论文10篇，SCI收录期刊论文5篇，培养硕士研究生2人，在读博士1人，梁希青年论文奖1项，宁夏青年拔尖人才自治区级学术技术学术带头人后备人选1人;已圆满完成了计划研究任务，取得了创新性强、应用前景广阔的研究成果。