红豆草对低温干旱复合胁迫的特异性响应机制研究

The low temperature and drought under the Qinghai-Tibet Plateau (QTP) not only affects the growth and yield of the herbage, but also limits its planting ranges. In addition, due to the influence of various stress under natural conditions, the response of plants to the multiple stress combination frequently presents more specific. As one high quality herbage strongly adapting to the extreme environment of low temperature and aridity in the QTP, however, the underlying specific response mechanism of Onobrychis viciaefolia Scop (sainfoin) to the combined stress of low temperature and drought is still unclear. Therefore, in the present project, with the sainfoin under normal, low temperature, drought and their combined stress conditions as the research objective, the physiological mechanism of responding to combined stress of low temperature and drought would be firstly revealed by the physiological analysis of photosynthetic characteristics, antioxidant enzyme activities and osmoregulation substances. Then, by sequencing the transcriptome and miRNA, combined with the bioinformatics analysis, the specific key genes and miRNAs responding to low temperature and drought stress will be identified and their temporal and spatial expression patterns will also be studied. Additionally, in combination with the analysis of metabolome, the differential metabolic pathways and the key genes involved would be screened out. Finally, through the correlated analysis of physiological, molecular and metabolomic data, we will systematically revealed the physiological and molecular mechanisms of the cold and drought resistance of sainfoin. The successful implementation of the project will provide a theoretical basis for the molecular breeding of new varieties of cold and drought resistant herbage, and will be of great significance to the economic development of agriculture and livestock husbandry in the plateau.

青藏高原低温和干旱极端环境不仅影响牧草生长发育和产量，而且限制了其种植范围。另外，由于自然生长条件下受到多种胁迫影响，植物对多重胁迫的响应往往更具特异性。红豆草作为适应青藏高原极端气候的优质牧草，对低温干旱复合胁迫的特异性响应机制尚不清楚。基于此，本项目以正常、低温、干旱和低温干旱复合胁迫的高寒牧草红豆草为研究对象，首先通过光合特性、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量等生理变化，揭示红豆草响应低温干旱复合胁迫的生理响应机制。其次，通过转录组和miRNA测序，结合生物信息关联分析，挖掘响应低温干旱复合胁迫特异关键基因和miRNA，并研究其时空表达模式。结合代谢组分析，找出差异代谢途径及参与的关键基因。最后，通过生理生化、分子及代谢组数据关联分析，系统揭示红豆草的抗旱寒生理及分子机制。本项目的顺利执行将为耐寒旱牧草新品种的分子培育提供理论依据，对高原农牧业经济发展具有重要意义。

红豆草作为适应青藏高原极端气候尤其是低温和干旱的优质牧草，对低温干旱复合胁迫的特异性响应机制尚不清楚。本项目以实验室模拟低温（LT）、干旱（DT）和低温干旱复合胁迫（LD）红豆草为研究对象，开展了生理生化特征、转录组、miRNA及代谢组分析，阐释了红豆草对低温干旱复合胁迫特异性响应机制。生理生化方面，LT、DT和LD均能引起抗氧化酶活性和渗透调节物质含量升高以及活性氧积累，但相对于单一胁迫，LD生理生化特征更加特异，并非单一胁迫叠加，与LT变化趋势一致。转录水平上，我们从LT、DT和LD中分别筛选出5860，6060及5548个差异表达基因（DEGs），而且红豆草对LT和LD转录水平响应类似。功能富集分析发现，LD与单一胁迫中DEGs参与的生物代谢过程既存在重叠，也具有特异性。此外，LD与DT中光合作用和激素通路相关DEGs表达谱相似，而类黄酮、抗氧化酶以及渗透调节物质代谢通路相关基因的表达模式与LT相似。代谢组分析从DT、LD和LT分别筛选出67，56和28个差异积累代谢产物（DAMs），且LD和LT的代谢产物差异远小于其他比较组。DT中的DAMs主要与缺水状态的渗透调节有关；LT中的DAMs主要来源于苯丙素类生物合成通路，与非酶促抗氧化有关；而LD中既有抗氧化也有渗透调节物质的积累。DAMs与DEGs关联分析发现，LD特异响应的烟酸和烟酰胺代谢、磷酸戊糖代谢通路，与提高红豆草对低温干旱复合胁迫耐受性有关。通过对小RNA高通量测序分析，分别从LT、DT和LD中筛选出28，38和53个差异表达miRNA（DEMs），与DEGs关联分析，发现了较多LD特有的miRNA-mRNA基因对，可能通过调控ROS稳态以及气孔关闭来增强植物对LD的耐受性。LD下miRNA的调控网络与其他单一胁迫虽存在一定重叠，但是更多的是特异性调控。此外，本项目筛选到166个可能增强植物对LD耐受的基因，与转录因子、激素信号转导、糖的转运、类黄酮代谢、胁迫耐受性、抗氧化等相关，并且部分抗逆关键基因受到LD的强烈诱导表达，提示这些关键基因可以作为红豆草耐受低温干旱复合胁迫的遗传改良候选基因。总体上，红豆草在生理生化、分子及代谢水平对低温干旱复合胁迫的响应并非单一胁迫的叠加，并且低温对干旱胁迫存在有利相互作用。