冰缘植物高山离子芥光合产物分配规律及其调节机理研究

The allocation of photosynthates plays vital roles in plant growth and development, crop production and carbon cycling of ecosystems, and related research is one of the hot topics of plant physiology, crop breeding and ecology. Photosynthate allocation under chilling stress is important to both freezing tolerance and mass accumulations of plants; however, the mechanism underlying photosynthate allocation and its relation with freezing tolerance are still unclear. In this project, we are going to reveal the relationships between photosynthate allocation and freezing tolerance of Chorispora bungeana by analyzing the effects of different temperatures on photosynthate allocation and freezing tolerance; and to reveal the regulation mechanisms of optimizing partition of photosynthate of this plant under chilling stress by analyzing the limiting factors of photosynthate allocation. The studies of this project will cast lights on the eco-physiological adaption mehanisms of subnival plants to natural freezing environments, and provide new theory for improving freezing tolerance of crops.

光合产物分配对植物生长发育、作物产量和生态系统碳循环等都有重要的影响，是植物生理学、作物育种和生态学等诸多领域的研究热点。低温胁迫下光合产物的分配对植物的抗冻性和生物量均有重要的影响，但低温胁迫下光合产物的分配机理及其与抗冻性的关系仍不清楚。本项目拟以高山离子芥为材料，通过分析不同温度对光合产物分配和抗冻性的影响，阐明高山离子芥光合产物的分配规律及其与抗冻性的关系；通过分析低温胁迫下影响光合产物分配的限制性因素，阐明高山离子芥光合产物最优化分配的调节机理。本项目的研究将深入理解冰缘植物天然抗冻的生理生态机制，为探讨提高作物抗冻性的有效方法提供新思路。

低温胁迫对植物光合作用和产物分配有重要的影响，但低温胁迫下光合产物的分配机理及其与抗冻性的关系仍不清楚。本项目以强抗冻植物高山离子芥（CB）为材料，通过与拟南芥（AT）的比较研究,阐明了CB光合产物的分配规律及其与抗冻性的关系，揭示了其光合产物最优化分配的调节机理。项目主要研究结果有：（1）AT中总碳优先向幼嫩叶片分配，低温下向功能叶片分配分配的碳增加；而CB中总碳在叶片间均匀分配，低温下向衰老叶片分配的碳减少。（2）低温提高植物叶片中可溶性糖含量，但AT中淀粉减少而CB中则增加；低温对两种植物细胞壁物质组成也有不同影响。（3）低温下CB果胶甲基酯酶PMEI1的表达异常升高；转基因研究表明表达PMEI导致转基因植物的抗冻性降低而低温条件下的生长则促进。（4）蔗糖运输和转化的分析结果表明，CB光合作用及其产物分配在低温下比常温下更加活跃。（5）低温条件下植物叶片总氮积累减少，然而蛋白质合成在AT中受抑制而CB中则增加，暗示CB在低温下具有更强的代谢调整能力。（6）氮代谢网络分析表明，CB可通过两种方式提高其氮利用效率：（a）CB在常温下储备极高浓度的氨基酸，尤其是含氮量较高的精氨酸、谷氨酸和天冬氨酸。由于氮同化和氨基酸合成需要大量的细胞代谢能量，常温下合成氨基酸并在低温下使用可以最小的代价获得最大的氮利用效率。（b）与AT中存在的中心化氮代谢网络相比，CB中存在去中心化的氮代谢网络，对环境变化具有更强的耐受能力。（7）总之，本项目研究结果表明：CB在低温下可维持活跃的光合作用、同化产物分配和代谢；CB通过大量储备氨基酸解除胁迫条件下氮资源的限制性，而去中心化的氮分配和代谢网络使CB在低温条件下氮资源得以高效利用，使光合作用和产物分配得以维持甚至提高，并因此提高抗冻和低温生长能力。本项目的研究揭示了植物抗冻的生理生态新机制，为提高作物抗冻能力的农业实践提供了新思路。