消落带植物ERF转录因子在水淹胁迫中的调控机制

Drawdown zone are most common and important in regulated rivers. The drawdown zone (up to 30m in elevation) in the Three Gorges Reservoir was exposed in summer and submerged in winter. Vegetation in the drawdown zone was dominanted by perennials such as Hemarthria altissima and Cynodon dactylon, and by anuuals such as Xanthium sibiricum. Because in situ tests were influenced by many environment factors, most previous studies on the crops, hygrophytes and model plants were performed under the simulated submergence. In this project, the distribution pattern of biomass and carbohydrate of the dominant species and their responses to flooding, slope and soil properties were carried out by investigation and reciprocal transplant experiment. Expression analysis of ERF transcription factors will be revealed by RNA-seq and quantitative Real-time PCR in situ experiments and greenhouse experiments under different submergence treatments. Aerenchyma formation, reactive oxygen species (ROS) and activities of antioxidant enzymes in H. altissima and C. dactylon will be detected by light microscope and Ultracytochemical location. Transgenic ERF gene, exogenous C2H2 and Ca2+ may enhance the flooding tolerance of plants. Results from this project can provide new understanding of the regulation mechanisms of ERF, present the scientific supports for the ecological restoration and management of the drawdown zone.

消落带是筑坝河流上常见的同时也是非常重要的湿地类型。三峡水库消落带高程差达30m，冬季淹没夏季出露。优势种为牛鞭草和狗牙根等多年生植物，苍耳等一年生植物。由于原位试验受到的影响因素多，很多农作物、水生植物植物、模式植物的适应机理研究，多在实验室模拟的。本项目拟选择三峡水库消落带为研究区域，通过野外调查及交互移植试验，定量解析水库周期性蓄水、坡度、土壤理化因子对消落带优势植物生物量分配及碳水化合物含量的直接或间接影响。通过野外原位控制试验和温室控制试验，借助RNA-seq高通量测序技术、实时定量PCR技术、光学显微技术、细胞超微细胞化学技术，揭示不同水淹处理下，优势植物牛鞭草和狗牙根ERF转录因子表达量上的差异，及其对通气组织形成、活性氧（ROS）及抗氧化酶活性的动态调控，探索转ERF基因、外源C2H2和Ca2+ 处理提高植物的耐水淹能力，为消落带的生态恢复与科学管理提供科学依据。

水文节律是河岸带植物群落演替的主要驱动因子，受水文节律影响的土壤理化特性也有可能逐渐改变周边植被。为揭示三峡水库消落带出露期间植物群落结构的季节性变化规律，定量解析周期性蓄水对消落带优势植物生物量分配及碳水化合物含量的影响，于2017和2018年4、6和8月，设置15个调查样地，将消落带分为145-155 m、156-165 m和166-175 m区域，以及未水淹区域（高程176-185 m）为对照。为揭示水淹期间狗牙根和牛鞭草ERF转录因子表达量上的差异，开展了原位水淹试验及温室控制试验。结果表明：周期性水淹-出露改变了消落带植物群落组成、生活型和优势种。随着出露时间的延长，优势种及其优势度变化规律因植物的生活型不同呈现出相反的变化规律。从4月至8月，优势植物狗牙根、牛鞭草、喜旱莲子草等多年生草本植物优势度下降，鬼针草、苍耳、醴肠等一年生草本植物优势度增加，而未水淹区优势种及其优势度变化规律不会因生活型不同而表现出不同的规律。随着周期性水淹次数的增加（2009-2018），消落带植物群落多样性指数呈下降趋势，高程150 m区域土壤有机质、全氮、有效氮和全磷含量下降，而有效磷含量呈增加趋势。消落带狗牙根根部可溶性糖、果糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉含量均值分别为61.74±20.28、19.00±8.19、19.84±10.44、2.17±2.19、2.49±1.49 mg·g-1，均大于未水淹没区。消落带喜旱莲子草、苍耳、小飞蓬和鬼针草的根部根部可溶性糖、蔗糖和葡萄糖含量也高于未淹没区。水淹处理0、5、10、15、20m的狗牙根和牛鞭草差异表达转录本在通路Photosynthesis - antenna proteins、Glycolysis/Gluconeogenesis、Phenylpropanoid biosynthesis中富集水平显著，在通路Glycolysis/Gluconeogenesis、Biosynthesis of amino acids、Carbon metabolism、Phenylpropanoid biosynthesis富集的转录本数目较多。外源Ca2+可适当缓解植物的水淹胁迫，乙烯可促进通气组织发育。本研究结论对科学认知大型水库成库初期消落带的生态演变过程具有重要意义，为大型水库消落带适生植物筛选以及生态修复提供了重要的理论基础及科学依据。