干旱胁迫下马缨杜鹃的生理生态响应及其表达谱分析

Rhododendron is a world famous ornamental plant and become the Lunar New Year flowers and upscale landscaping plant in recent years. However, with the increase of natural drought and lack of urban water resources, drought stress seriously affects the growth of Rhododendron and its application in landscaping. Previous studies indicate that widespread species R. delavayi have self adaptive response mechanism to arid environments. However, the physiological response to drought is unclear, especially the study in the molecular mechanism adopt to drought is still blank. In this study, through the analysis of the changes in hydraulic structrure, physiological substances and gas exchange response to drought stress, and analyzed the collaborative relationships between hydraulic structures and photosynthesis, we in order to understand the adapt physiological response characteristics of R. delavayi to drought stress. Combined with the study in transcriptome expression in the control and drought stress, we try to clarify the main physiological reaction and the related genes. The utilization of morphology, physiology and methods of molecular biology perspectives can provide theoretical and practical guidance for the subsequent development of water-saving garden plants and drought-tolerant varieties of Rhododendron cultivation.

高山杜鹃是世界著名的园林观赏植物，近年来成为我国年宵花和高档园林绿化的新秀。冬春干旱和城市水资源的短缺严重制约着其在园林绿化中的应用，但目前高山杜鹃适应干旱的生理机制研究片面，尤其是对干旱胁迫响应的分子机理研究尚属空白。项目以耐旱性极强的广布高山杜鹃物种--马缨杜鹃（Rhododendron delavayi Franch.）为材料，采用形态学、生理学和分子生物学的方法和手段，通过分析干旱胁迫过程中的水力结构、渗透调节物质、抗氧化系统、光合作用的变化，结合干旱过程中的转录组表达谱，重点分析马缨杜鹃的水分传输与生理功能间的协作关系以及相关基因的表达调控在适应干旱胁迫中的作用，明确马缨杜鹃适应干旱的生理生态响应及相关基因的表达特征。研究结果能系统、深入的揭示马缨杜鹃适应干旱的生理机制，并首次为高山杜鹃适应干旱的机理研究提供分子层面的依据，对杜鹃的遗传改良及园林栽培应用具有重要的理论和实践意义。

杜鹃花是世界著名观赏植物，干旱严重制约着杜鹃的栽培及应用。项目以耐旱性较强的马缨杜鹃为材料，了解马缨杜鹃适应干旱的生理机制及干旱过程中的基因表达特征。研究结果表明：随着干旱胁迫的增加，马缨杜鹃叶肉细胞和叶绿体超微结构受迫害程度加重，丙二醛（MDA）、脯氨酸、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性逐渐增加；复水后，MDA、脯氨酸和可溶性糖含量、SOD酶活性均下降；持续干旱8天，马缨杜鹃的叶片净光合速率（AN）、气孔导度（gs）和叶肉导度（gm）出现显著下降，叶绿素荧光参数如光化学猝灭系数（qP）、光合系统Ⅱ实际光化学效率（ΦPSII）以及电子传递速率（Jflu）也显著下降；持续干旱10天后复水仅1天，AN、gs、gm、qP、ΦPSII以及Jflu均能快速恢复至对照水平的80%以上，马缨杜鹃的生理生化物质和气体交换特性对干旱均表现出较强的适应性变化。结合干旱过程中的转录组测序分析，发现与光合作用、植物激素信号转导（油菜素内酯（BR）合成与代谢）、类黄酮合成代谢路径相关的差异表达基因高度富集，暗示这些代谢路径在马缨杜鹃的干旱应答过程中可能起重要作用。在此基础上，采用外源BR喷施马缨杜鹃叶片，发现外源BR的使用可以改善干旱胁迫下的光合作用，维持较高的叶片水势，降低叶片中MDA含量、SOD酶活性、脯氨酸含量，使马缨杜鹃维持较好的水分状态以减轻干旱胁迫伤害，证实了BR在马缨杜鹃适应干旱的过程中的确起了重要作用。研究结果补充了杜鹃属植物适应干旱的机理，对杜鹃属植物的遗传改良及节水型园林植物的开发及利用提供理论基础，且对应用外源调节物质提高杜鹃的耐旱性具有重要的指导作用。发表研究论文5篇，其中SCI收录3篇；申请相关专利1项；培养在职博士研究生4名，项目主持人入选“云南省中青年学术和技术带头后备人才”培养对象。