高碱化环境下羊草根分泌过程及其抗碱机理研究

Although soil alkalization has become a global environmental problem, it often is being largely ignored, and is included in "soil salt-alkalization". In fact, alkali stress have much stronger damage to soil and plant than the salt stress of same salinity. Previous studies have demonstrated that root secretion process is critical for plant alkali tolerance. A gramineou forage grass species with extremely strong alkali tolerance, Leymus chinensis, was chosen as test organism. In this work, we will use many advanced techniques such as Confocal laser scanning microscope and Non-invasive Micro-test Technique to survey the position of plant root pH-regulation under alkali stress. We also will analyze the carboxyl-metabolic profiling of root secretion using LC-MSMS (metabonomics platform), and test the release of H+ and CO2. Finally, we hope to uncover the roles of root secretion process in alkali tolerance of Leymus chinensis. In addition, we also will intend to test the expression styles of related genes in response to alkali stress using RNAseq analysis. We expected that the results can rich alkali-tolerant knowledge, and will help the identification and application of alkali tolerant genes. Our results should improve the understanding of physiological mechanisms of plants resisting stress environment, as well as provide some useful information for crop alkali stress tolerance improvement and recovery of alkalinized grassland.

土壤碱化已成世界性环境问题，人们经常忽视碱化研究，将其包含在“土壤盐碱化”中。碱化（高pH）对土壤和植物的破坏力远甚于相同强度的盐化。前期研究证明，根分泌在植物抗碱过程中起至关重要作用。本项目拟在前期研究基础上，以天然抗碱禾本科牧草羊草为材料，针对其在高碱化环境中仍能维持正常生命活动这一现象，利用共聚焦激光扫描显微成像、非损伤测微等技术监测高pH碱化环境下根不同部位pH变化，确定根分泌（pH调节）位置（根表面或质外体空间）。用质谱（代谢组平台）分析碱胁迫下羊草根分泌物中酸性化合物成分和含量，同时用微电极技术检测根分泌H+和CO2的过程。最终本项目拟通过实验揭示羊草根分泌在降低高pH中的作用机制。利用RNA-seq技术，分析碱胁迫下根差异表达基因，结合生理学结果确定与pH调节有关的重要基因。此研究不但可成为植物抗碱生理机制重要组成，也将为作物抗碱性改良和碱化草地生态恢复提供理论支持和新思路。

东北松嫩平原是世界三大碱土集中分布区之一，我国的碱化土地绝大部分都分布在这个区域。土壤碱化是威胁该地区粮食生产、环境可持续发展的最主要的环境因素。羊草是松嫩平原碱化草地的优势种。研究羊草适应碱化生境的机制对于开发和利用碱化草地具有重要意义。本项目使用广泛靶标代谢组学技术鉴定和分析了羊草在碱胁迫下的根分泌成分，通过分析羊草在碱胁迫下根和叶的代谢响应、生理响应、基因表达响应及结构变化，探讨了碱胁迫下羊草根分泌的调节机制。本项目利用广泛靶标代谢组学技术鉴定到360个羊草根分泌成分。进一步分析发现，碱胁迫诱导羊草分泌大量酸性代谢物包括11个氨基酸或二肽、15个酚酸、5个磷酸单糖、14个有机酸、23个脂肪酸。广泛分泌酸性物质将促进羊草在碱胁迫下的pH调节过程，最终提高羊草在高碱化环境下的生存能力。结合羊草根和叶的代谢物水平变化和生理响应，发现碱胁迫下羊草降解叶片中的蛋白质为氨基酸和二肽，然后运输到根中用于分泌。类似地，羊草在叶片中合成酚酸和有机酸后运输到根中分泌，而羊草在碱胁迫下用于分泌的脂肪酸则直接在根中合成。为了进一步揭示碱胁迫下羊草根分泌调节的分子机制，项目组利用三代测序技术PacBio获得了羊草全长转录序列，为后续羊草根分泌的基因表达调节研究提供参考序列。在此基础上，本项目利用二代测序技术开展了有参转录组分析。结果表明，羊草主要耐盐基因的表达响应与许多甜土植物是类似的。然而，羊草与甜土植物相比最主要的基因表达特性是提高根中氮代谢基因的表达水平。碱胁迫下羊草根中氮代谢水平的提高可能促进根分泌过程。本项目揭示了羊草适应碱胁迫过程中的根分泌调节机制，加深了人们对羊草抗碱生理及分子机制的理解，为进一步遗传改造和利用羊草奠定了理论基础。