西北旱区柠条干旱适应性中光呼吸的作用研究

光呼吸有助于消耗过剩光能保护光合器官免遭光破坏，是植物体内必不可少的代谢途径之一。光照充足、降雨量少、空气干燥是我国西北干旱半干旱地区的主要气候特点，高光和强光加剧了干旱对植物光合器官的破坏，造成代谢紊乱。本研究以该地区主要造林树种柠条为材料，首先从光呼吸相关参数和植物的旱害程度来分析光呼吸在抗旱性中的积极作用；其次，从光呼吸相关的细胞超微结构、代谢产物、重要酶的活性和基因表达水平等方面来研究干旱和光呼吸抑制条件下柠条光呼吸的生理生化特征和变化规律。研究结果旨在阐明西北干旱半干旱地区植物如何通过光呼吸来提高应对干旱胁迫的能力，为通过调控光呼吸增强植物抗旱性提供理论基础。

光呼吸是植物生长发育过程中的基本代谢途径之一，具有消耗过剩光能保护光合器官免受强光损坏和为其他代谢提供中间产物的功能，深入探讨光呼吸在旱区植物干旱适应性中的作用有着重要的理论意义。本项目以西北干旱半干旱地区主要造林树种柠条为材料，通过测定不同降雨量地区和干旱处理条件下柠条叶片气体交换和荧光参数的变化、细胞超微结构的变化、主要代谢物的含量变化、光呼吸关键酶活性及基因表达水平的变化，分析光呼吸在柠条干旱适应性中的作用及其生理学原因。得出以下主要结论：（1）5mM甘氨酸能够有效抑制柠条光呼吸，同时导致光合作用效率提高，这一现象与喷施抑制剂后柠条叶片气孔导度的增加、胞间二氧化碳浓度的提高和RuBP羧化作用和氧化作用的电子流分配的改变有关。（2）干旱处理和不同降雨量地区的柠条光呼吸速率测定结果表明，随着干旱胁迫的加剧，光呼吸有增加的趋势，说明光呼吸在增强柠条的抗旱性中发挥重要作用。（3）随着干旱胁迫程度的增加，叶片细胞中叶绿体、线粒体和过氧化物体在空间分布上更加紧密，同时有自噬体形成，说明柠条可以通过叶片细胞中细胞器结构的改变适应干旱环境。（4）干旱条件下柠条叶片中代谢物水平的分析表明，光呼吸可以调节氨基酸代谢（尤其是甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸和脯氨酸等），从而影响柠条对干旱的适应。（5）光呼吸关键酶的活性和基因表达水平的分析结果表明，随着干旱胁迫的加剧谷氨酸-乙醛酸转氨酶(GGAT)和丝氨酸-乙醛酸转氨酶(SGAT)在酶活和基因表达水平上都显著提高。可见，这两种光呼吸代谢关键酶在调节柠条适应干旱过程中发挥重要作用。综合以上结果表明，干旱条件下柠条可以通过改变细胞结构、增强GGAT和SGAT基因的表达水平和酶活性，提高光呼吸效率，从而增强植物的抗旱性。我们的研究成果为深入认识光呼吸在植物干旱适应性中的作用以及通过改变光呼吸效率增强植物的抗旱性或者提高光合效率提供重要的理论支持。项目已按照原定计划完成规定的研究任务，并取得阶段性成果和重要进展，为后续的研究奠定了坚实的基础。研究成果方面目前标注该项目的SCI论文2篇审稿中，正在整理SCI论文2篇。