植物叶片GSNOR代谢途径在吸收大气NO2中的功能解析及其分子调控机理

Nitrogen deposition is one of the most important factors of global change affecting fixed carbon potential of terrestrial ecosystems. Nitrogen deposition includes wet and dry deposition. In the past, researchers had paid special attention to root nitrogen absorption in the underground part of plants under nitrogen wet deposition. NO2 nitrogen deposition accounts for more than 70% of nitrogen dry deposition, but the direct leaf absorption of atmospheric NO2 by plants has been neglected for a long time. Quantitative study on this process will promote a comprehensive understanding of plant nitrogen sources; accurately assess the carbon-nitrogen coupling relationship under global change. Based on the response of photosynthesis and respiration to atmospheric NO2, a new pathway of atmospheric NO2 metabolism in plants, GSNOR(S-nitrosoglutathione reductase)-pathway and its relationship with other metabolic pathways of NO2, will explored by 15N tracer technique and mass spectrometry. The metabolic pathway and gene regulatory network of GSNOR-pathway will be studied by means of the combination of metabonomics and transcriptome, and the molecular mechanism of GSNOR metabolic pathway of NO2 uptake by leaves will be clarified. Based on the overexpression and inhibition of NO2 metabolism in transgenic plants, the relationship between the GSNOR pathway and other metabolic pathways of NO2 uptake by plants will be elucidated through the coordinated expression of genes.

氮沉降是影响陆地生态系统固碳潜力最重要的全球变化要素之一。氮沉降包括湿沉降和干沉降，过去的研究中人们特别关注氮素湿沉降下植物地下部分的吸收，NO2的氮沉降占干沉降的70%以上，而大气NO2的直接叶片吸收被长期忽略，对该过程的定量化将推动对植物氮源的全面认识，从而准确评估全球变化下的碳氮耦合关系。本研究是在我们研究植物形态结构、气孔行为、光合和呼吸等对大气NO2响应的基础上，利用15N示踪技术和质谱技术明确大气NO2在叶片内代谢的新途径-GSNOR（亚硝基谷胱甘肽还原酶）途径；利用代谢组学和转录组学联合的方法研究GSNOR代谢途径和基因调控网络，寻找GSNOR途径代谢物浓度变化的相关关键基因，揭示其分子调控机理；以植物吸收NO2代谢的GSNOR途径和NO2代谢主路关键节点的过表达和抑制表达转基因植株为材料，通过基因之间的协调表达阐明植物吸收NO2的GSNOR途径与NO2代谢主路之间的关系。

中国经济的迅猛发展带来机动车保有量骤然增加，活性氮的排放量剧增，排入大气的氮氧化物逐渐向陆地和水生生态系统沉降，即氮沉降，改变了自然生态系统格局，引起水体酸化、富营养化以及生态系统多样性丧失等一系列严重的生态问题，更为严重的是氮氧化物的氧化产物NO2引起大气PM2.5含量剧增，引发严重的雾霾，环境污染严重。氮沉降包括湿沉降和干沉降，近些年来人们多关注湿沉降，而氮沉降中占70%以上的干沉降由于设备、手段和技术问题被长期忽视。大气二氧化氮（NO2）是氮素干沉降主要成分，约占干沉降90%，主要来源于氮氧化物（NOx），是酸雨和光化学烟雾的重要物质，也是臭氧层O3消耗的一个重要因子，更是雾霾形成的重要因素。植物可吸收大气NO2，进入叶片后参与了植物体内的氮代谢，影响了植物的碳代谢和氮代谢及其两者的协调关系。但是，有关植物吸收大气NO2是如何影响光合机构的，我们并不清楚。为此本研究以模式植物烟草（Nicotiana tabacum L.）为试验材料，利用自行设计的自动控制装置，用气体熏蒸的方式模拟NO2干沉降，从植物的表型、生理生化，以及蛋白质组和转录组技术，探索烟草光合对大气NO2的响应机理。同时，我们发现了一条NO2代谢的新途径，即S-亚硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR）代谢途径，我们通过构建GSNOR突变体，通过NO2熏蒸方法，观察突变体和野生型表型特征、代谢功能进行解析，以期为植物对NO2应激调控及耐NO2机理研究奠定基础，为揭示植物吸收大气NO2调控机制，推动对植物氮源的全面认识，具有重要意义。