荒漠灌木沙冬青的超抗冻性分子机理研究

沙冬青作为我国荒漠中唯一的常绿阔叶灌木，拥有极强的抗冻性能，是研究植物超抗冻性的理想模式材料。植物超抗冻性的分子机理研究历时多年但却停滞不前，其根本原因是仅局限于抗冻蛋白基因的研究。我们在深入分析细菌、昆虫等超抗冻性生物体的抗冻机理的基础上，通过前期的试验研究，前瞻性地提出沙冬青超抗冻性是多种蛋白质协作的共同结果，除抗冻蛋白外还存在着关键的冰核蛋白和冰核抑制蛋白。因此，本项目国际上首次从抗冻蛋白基因、冰核蛋白基因、冰核抑制蛋白基因同时入手，通过现代植物分子生物学研究手段分离鉴定沙冬青的冰核蛋白、冰核抑制蛋白和抗冻蛋白，并克隆它们的编码基因，揭示这些基因在不同梯度低温下的组织时空表达模式，并建立体内与体外协作模型。本项目的研究结果将在分子水平上解析沙冬青超抗性的分子机理，同时可克隆抗冻相关基因，为沙冬青抗冻相关基因资源的转基因应用提供科学依据和物质基础，具有重要的科学价值和理论意义。

沙冬青为豆科黄花木属的常绿超抗冻灌木，是荒漠中极其少见的常绿阔叶植物。由于长期在恶劣生境中生长，沙冬青在冬季气温降至－30℃～－45℃时亦可安全越冬，是研究林木超抗冻性分子机理的理想材料。本项目采用现代植物分子生物学研究方法，从三种冰活性蛋白基因同时入手研究沙冬青的超抗冻性的深层分子机理。首先，本项目构建了两个不同低温胁迫下的沙冬青叶片cDNA文库，克隆了三种冰活性蛋白的全长cDNA，构建了原核表达载体，实现了三种目的基因在大肠杆菌中的高效表达与纯化，测定了三个目的基因表达产物的活性，阐明了三种冰活性蛋白的不同组织不同温度下的时空表达规律，系统分析了沙冬青低温胁迫的转录组与小RNA组，探索了沙冬青超抗冻性的三种冰活性蛋白的协作模型，初步解析了沙冬青超抗冻性的分子机理。本项目成果可为沙冬青抗逆性状的分子机理解析及抗冻相关基因资源的转基因应用提供科学依据和物质基础，具有重要的科学价值和理论意义。