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干旱胁迫记忆对一年生短命植物尖喙牻牛儿苗功能性状的影响

批准号:
32101262
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈艳锋
依托单位:
学科分类:
种群生态学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈艳锋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
在自然界中,植物常会经历重复性的环境胁迫,如果植物前期经历的环境胁迫提高了植物在下一次胁迫出现时的耐受性,这种现象被称作胁迫记忆。胁迫记忆是植物对环境做出响应的智能性行为,常会影响植株存活、生长和繁殖等关键功能性状,对提高植物在恶劣环境中的适应性具有重要意义,但是目前关于胁迫记忆的研究多是从生理和分子水平揭示其形成机制,而从生态学视角开展胁迫记忆对植物功能性状的影响研究仍很匮乏。本研究以对干旱响应极为敏感的一年生短命植物尖喙牻牛儿苗为研究对象,在古尔班通古特沙漠腹地开展重复性干旱胁迫试验,研究干旱胁迫记忆对尖喙牻牛儿苗地下与地上功能性状的影响,分析植物功能性状之间的复杂关系及其对干旱胁迫记忆的响应差异;同时联合全基因组组蛋白和转录组分析,解析组蛋白甲基化修饰与基因表达之间的关系,初步揭示干旱胁迫记忆形成的表观遗传机制。研究结果将为短命植物在荒漠环境中的适应与进化研究积累理论资料。
英文摘要
In the field, plants often suffer repetitive environmental stress. If the environmental stress in the early stage improves the tolerance when the next stress occurs, this phenomenon is called as plant stress memory. Plant stress memory is an intelligent behavior of plants in response to the environmental stress, and often affects plant functional traits such as survival, growth and reproduction, which is of great significance for improving the adaptability of plants in harsh environments. However, the current research on plant stress memory mostly reveals the mechanism from the physiological and molecular levels, and there is still a lack research on the impact of plant stress memory on plant functional traits from the ecological point of view. We take the annual ephemeral Erodium oxyrhynchum that are extremely sensitive to drought as the research object in the Gurbantunggut Desert, and studying the effects of drought stress memory on plant functional traits, and analyzing the relationship between plant functional traits and their responses to the environmental stress. Simultaneously, we combine genome-wide histone with transcriptome analysis, and analyzing the relationship between histone methylation modification and gene expression, and clarifying the epigenetic mechanism of drought stress memory. The results will accumulate theoretical data for the adaptation and evolution of ephemeral plants in desert environments.
胁迫记忆是植物对环境做出响应的智能性行为,对提高植物在恶劣环境中的适应性具有重要意义。本研究以对干旱响应敏感的一年生短命植物尖喙牻牛儿苗为对象,从物候、存活、地上、地下功能性状及表观遗传等方面系统探讨了干旱胁迫记忆的影响及其机制。主要结果如下:①干旱胁迫记忆显著提前了展叶期、始花期、始果期和枯萎期,使生活周期从74.63±0.63天缩短至69.63±0.75天,并显著降低了幼苗存活率,使其更早进入枯萎期。另外,相比对照处理,根长、根系表面积和根系体积均显著下降。②干旱胁迫记忆对光合特性也产生了显著影响,在始花期前,净光合速率提高了47.16%,水分利用效率提升了104.63%;同时,气孔导度和胞间CO2浓度分别降低了42.60%和66.85%。③在生理生化特征方面,展叶期CAT含量提高了25.35%,繁殖期MDA含量上升了36.49%。④叶片C、N、P含量显著上升,P含量在果期前高于对照组,C:N比在展叶期显著升高,而C:P和N:P在整个生长过程中降低显著,表明干旱胁迫记忆可能影响养分分配策略。⑤形态与生物量方面,干旱胁迫记忆增加了株高(11.01%)、根长(6.35%)和叶面积(19.59%),促进了个体生物量(23.38%)和繁殖生物量(43.62%)的积累。⑥质谱分析发现,Histone h1、h2a、h3的表达量显著升高,特别是Histone h3的表达量是对照处理的4倍,可能增强染色质稳定性及基因调控能力。同时,鉴定到3511个蛋白,其中193个上调,涉及抗氧化、渗透调节、热休克及ABA信号通路,154个下调,可能有助于水分保持。转录组分析共鉴定817个差异表达基因,408个上调,主要参与渗透调节、抗氧化防御及激素信号传导,409个下调,涉及光合作用、初级代谢及水分调控。KEGG通路分析进一步揭示干旱胁迫记忆涉及遗传信息处理、信号传导、能量代谢及环境适应等多个生物学过程。综上,干旱胁迫记忆通过加速物候期、优化光合能力、调节生理生化反应及养分分配策略等过程,显著影响尖喙牻牛儿苗的生长和繁殖等功能性状,并揭示组蛋白修饰和转录组变化在干旱适应中的关键作用,为解析植物抗旱机制及培育耐旱作物提供理论支持。
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