十八碳烷酸途径在南极苔藓(Pohlia nutans)适应极端生态环境中的作用及其机理研究

Bryophytes are the major plant groups in Antarctic continent. The mechanism of bryophytes adaptation to environmental stress remains unclear. Jasmonic acid (JA) and its precursor 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) derived from the octadecanoid pathway that are collectively named oxylipins function as signaling molecules. Previously, the understanding of the octadecanoid pathway in plants to environmental stresses was mainly from studies of jasmonic acid and key repressor JAZ protein. However, the roles of the octadecanoid pathway in bryophytes (only able to synthesize OPDA, but not further synthesis of jasmonic acid) to environmental stresses have not been reported. This study is to determine the contents of OPDA using liquid tandem mass spectrometry under stress conditions and analyze the influences of exogenous OPDA on the ability of Antarctic moss against freeze, drought, salinity and UV-B radiation. These works will reveal the role of OPDA in the Antarctic moss adapting to extreme environment. Moreover, we will analyze the gene expression patterns of JAZ protein, sub-cellular localization, stress-related phenotype of transgenic Arabidopsis and Physcomitrella and its relevant molecular mechanisms, and OPDA-JAZ proteins regulating mechanism, JAZ protein-protein interactions analysis. Taken together, these efforts will reveal the OPDA signaling pathways in regulation of resistance to environmental stress and may find a new mechanism of interaction between the two key plant hormone OPDA and abscisic acid signaling pathways.

苔藓是南极大陆主要的植物类群，但其逆境适应机理仍不清楚。植物十八碳烷酸途径合成的羟脂类化合物，如茉莉酸及其前体12-羰-植物二烯酸(OPDA)是植物重要的信号分子。之前对该途径在植物抗逆中的认识主要是来自于对茉莉酸和关键抑制因子JAZ蛋白的研究。但是，十八碳烷酸途径在苔藓植物(有OPDA，但缺少茉莉酸)适应极端环境中的作用尚未见报道。本研究拟利用液相串联质谱技术测定胁迫条件下南极苔藓中OPDA的含量、分析外源施加OPDA对南极苔藓抗冻、抗旱、抗盐和抗UV-B辐射等能力的影响，揭示OPDA在南极苔藓适应极端生态环境中的作用；通过分析JAZ蛋白的基因表达模式、亚细胞定位，研究转基因拟南芥和小立碗藓的表型与抗逆机制，分析OPDA-JAZ蛋白的调节机制以及JAZ蛋白-靶蛋白互作情况，揭示OPDA调控南极苔藓抗逆境胁迫的信号通路，并有可能发现OPDA和脱落酸两个关键激素信号途径之间互作的一种新机制。

十八碳烷酸代谢途径产物12-羰-植物二烯酸(OPDA)、茉莉酸(JA)、茉莉酸甲酯(MeJA)和茉莉酸-异亮氨酸(JA-Ile)统称为茉莉酸酮类物质，它们在调节植物抗病和抗逆境胁迫方面发挥关键的调节作用。迄今为止，十八碳烷酸途径尤其是其信号分子OPDA和JAZ (jasmonate ZIM-domain)蛋白在苔藓植物抗逆境胁迫中的作用尚未见报道。本项目取得的成果有：（1）利用LC-MS/MS分析发现低温和高盐处理能够增加南极苔藓中OPDA的含量；OPDA预处理苔藓原丝体，提高了其在低温和高盐胁迫下的存活率；实时定量PCR分析证实十八碳烷酸合成途径中多数关键酶基因在低温、干旱、高盐和UV-B辐射以及茉莉酸胁迫下的表达水平上调。上述结果说明OPDA参与了南极苔藓适应逆境胁迫的生物学过程。（2）南极苔藓PnJAZ1具有典型的JAZ家族蛋白的ZIM和Jas结构域。PnJAZ1蛋白主要定位在细胞核中，其基因在各种胁迫条件下表达水平均显著上调。构建了PnJAZ1过量表达的转基因纯合体植株。过表达PnJAZ1抑制了植株的茉莉酸信号途径。全长PnJAZ1蛋白或者PnJAZ1 (03918)△N△C蛋白都能够与拟南芥AtMYC2、AtMYC3、AtMYC4和苔藓PnMYC2转录因子相互作用。蛋白印迹证实OPDA处理能够诱导PnJAZ1蛋白降解，这一过程依赖于受体COl1。过表达PnJAZ1增强了转基因植株在对高盐胁迫、渗透胁迫和脱落酸的抗性。过表达PnJAZ1抑制了脱落酸途径关键基因ABI3、ABI4、ABI5 和RD29a的表达水平。本研究证实OPDA-JAZ蛋白的调节机制在苔藓植物中是保守的；PnJAZ1蛋白通过抑制脱落酸信号途径来提高转基因植株对盐胁迫和渗透胁迫的抗性。（3）过表达AtJAZ4和AtJAZ9提高了拟南芥植株对高盐、脱落酸和葡萄糖的抗性，转基因植株的叶片以及根的生长发育都显著优于野生型拟南芥植株。实时定量PCR分析发现ABA信号途径中ABI3、ABI4、ABI5和RD22等基因的表达水平下调。因此，过表达AtJAZ4和AtJAZ9的研究结果与过表达PnJAZ1基因的表型和抗逆机制是一致的。上述实验证实OPDA－JAZ蛋白的调节机制在最低等陆生植物中是保守的，并且JAZ蛋白作为关键抑制蛋白参与调解盐胁迫条件下OPDA和脱落酸两个信号途径之间复杂的相互作用。