草坪草应对高温胁迫与CO2浓度增倍的互作效应响应机制

Temperature is a key factor influencing turfgrass growth, and high temperature is particualrly detriemntal to cool-season turfgrass. There is a trend of increasing CO2 in the atmosphere and temperature associated with global climate change. The goal of this project is to examine the differential responses of cool-season tall fescue and warm-season bermudagrass to interactive effects of elevated CO2 and heat stress and to determine the mechanisms of how elevated CO2 may regulate turfgrass tolerance to elevated temperatyres, particualrly for cool-season turfgrasses. The unique aspects of the projects include 1) the examination of the interactive effects of elevated CO2 and high temperature, 2) the identification of mechanisms of heat tolerance mechanisms regulated by elevated CO2 at multiple levels (physiology, biochemistry, metabolite, protein and gene expression) by integrating physiological analysis, metabolomic profiling, proteomics, and transcriptional analysis), and 3) the use of unique plant materials contrasting and comparing between cool-season and warm-season turfgrass species with different photosynthetic pathways (C3. vs. C4) and two genotypes differing in heat tolerance (heat tolerant vs. heat sensitive)within a C3 or C4 species.The project will reveal critical metabolic processes and molecualr mechanisms of turfgrass responses to interactive effects of eleveated CO2 and high temperature, which is important for developing turfgrass germplasm adapting to heat stress in the context of global cliamte changes.

温度是影响草坪草生长的一个重要因素，特别是高温对冷季型草坪草具有明显的抑制作用。由于全球气候变化的影响，大气CO2浓度和温度都出现了升高的趋势。本项目的目标是探讨冷季型草坪草高羊茅与暖季型草坪草狗牙根对高浓度CO2和热胁迫的差异响应，从而确定高浓度CO2提高草坪草耐热性的调控机制。项目具有三大特色：1）高浓度CO2与高温互作效应的确定；2）通过生理指标、代谢图谱、蛋白及基因定量表达的分析，阐释高浓度CO2在多层面（生理生化、代谢、蛋白及基因）对耐热性的调控机理；3）对比材料特色鲜明，即：具有不同代谢途径的C3冷季型草坪草和C4暖季型草坪草及同一代谢途径不同耐热性基因型的选择。本项目将揭示草坪草响应高浓度CO2与高温互作的代谢途径及分子调控机理，这对将来气候变化情况下培育抗高温草坪草新品种具有重要意义。

高温能够影响光合器官的正常光合作用，从而抑制草坪草的生长。CO2是温室气体的主要成分，当前全球CO2浓度已经较前工业时代增加了大约200ppm，而且在继续保持增长的态势，这可能会加剧温度的升高。暖季型草坪草与冷季型草坪草的光合作用分别属于C4和C3途径，在响应温度与CO2浓度的交互作用方面可能会有不同的方式。本项目以此为出发点，分别以狗牙根和高羊茅为材料，在生理水平、代谢水平和分子水平探讨暖季型草坪草与冷季型草坪草对高温与高浓度CO2的响应差异及其机理。.研究结果表明，与光合作用、氨基酸代谢和呼吸作用等多个代谢过程密切相关的蛋白及代谢物，参与草坪草响应高温与高浓度CO2交互作用过程，且在暖季型草坪草与冷季型草坪草间存在差异。在热胁迫与高浓度CO2条件下，C4与C3草坪草光合能力不同，CO2浓度升高对冷季型草坪草高羊茅的促进作用高于对暖季型草坪草狗牙根，这与二者叶绿素的合成方面的差异密切相关。 在鉴定出的初级和次级代谢物中，有机酸（柠檬酸、甘油酸、苏糖酸）、氨基酸（丙氨酸、氨基丁酸、脯氨酸）和糖（蔗糖、葡萄糖、果糖）在热胁迫与高浓度CO2的互作中具有不同响应方式；在鉴定出的蛋白中，GAPDH、ATP合成酶、磷酸甘油酸激酶和果糖-二磷酸醛缩酶等也是暖季型草坪草与冷季型草坪草差异响应热胁迫与高浓度CO2互作的重要原因。