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褪黑素调控氧化还原稳态减轻低温胁迫下红树植物秋茄PSI光抑制的机制研究

批准号:
32071503
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
郑春芳
依托单位:
学科分类:
生理生态学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑春芳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
低温尤其是极端低温是限制中国红树林分布及生长发育的主要因素。秋茄是我国分布最广、最北,且耐寒性最强的红树植物,是红树林耐寒研究的最佳材料。研究证明,褪黑素能显著增强红树林耐寒性,但其抗寒机制仍不清楚。我们前期研究表明,褪黑素是秋茄低温诱导氧化还原稳态重建的关键因素,也是减轻PSI光抑制、增强光合能力的必要条件。在此基础上,本项目利用高效液相色谱串联质谱、qRT-PCR技术等研究低温胁迫下秋茄内源褪黑素合成关键酶活性和基因表达,明确秋茄褪黑素合成途径;通过PTM技术等研究褪黑素对低温胁迫下ROS、RNS形成的蛋白氧化修饰的影响,阐明低温胁迫下褪黑素介导秋茄氧化还原网络的分子过程;采用RNA-Seq等技术鉴定褪黑素调控低温胁迫下PSI电子传递过程中的关键基因,最终阐明褪黑素调控秋茄氧化还原稳态减轻PSI光抑制的分子机制。这些结果为建立红树林抗低温栽培技术奠定重要理论依据,并具有实践应用价值。
英文摘要
Low temperature, especially extreme cold weather events, is a main factor limiting the distribution and growth of mangroves in China. Kandelia obovata is the most cold-tolerant mangrove and is widely distributed in northern of China. It is usually used as a material for clarifying the cold-tolerant mechanisms in mangrove trees. Melatonin is known to enhance the cold tolerance of mangrove, but its regulatory mechanism remains unclear. Our previous studies show that melatonin is a key factor to reconstruct the redox steady-state under low temperature, and it is also essential for reducing PSI photoinhibition and therefore enhancing photosynthetic capacity in K. obovata. Based on the above results, this project will determine the activities of melatonin biosynthesis enzymes and the related gene expression using HPLC-MS-MS and qRT-PCR to identify the low temperature-induced melatonin biosynthesis pathway, investigate how melatonin treatment affects oxidative modification of reactive oxygen species (ROS)- and reactive nitrogen species (RNS)-induced proteins using PTM to clarify melatonin-mediated redox network, and finally identify the key genes involved in PSI electron transfer using RNA-Seq to explore how melatonin-regulating redox homeostasis reduces PSI photoinhibition under low temperature stress. Our results may be useful for the establishment of cold-resistant cultivation in mangrove, and have a practical application of value.
红树林是生长在热带、亚热带海湾河口潮间带的木本植物群落,具有极高的生态价值,而低温尤其是极端低温是限制我国红树林生长发育的主要因素。褪黑素/活性氧/活性氮形成的氧化还原稳态在红树林抗寒过程中发挥着关键作用,但其抗寒生理分子机制还不清楚。本项目按照任务书的要求,阐明了低温胁迫下褪黑素合成参与秋茄幼苗活性氧、活性氮形成的氧化还原网络机制,解析了褪黑素调控氧化还原稳态在减轻低温胁迫下秋茄PSI光抑制中的作用机理,申报了以氧化还原稳态为抗寒生理基础的两项秋茄抗寒技术发明专利(秋茄抗寒剂及其制备方法以及应用方法和提高亚热带地区秋茄抗寒能力的方法),并已受理,其提高的抗寒能力比无抗寒剂处理的植株显著增加,具有潜在的应用价值。再完成既定任务之外,本项目对原有研究内容进行了适度延伸,验证了血清素是影响褪黑素合成的关键因素,筛选出血清素调控的两个关键合成途径(褪黑素合成和脱落酸合成),并发现红树林抗寒与膜脂过氧化伤害紧密相关。此外,目前我们的大量生理生化指标和组学数据表明,稳定光合-光呼吸超循环是提高红树植物秋茄抗寒的基础。这些结果极大地增加了我们对红树林抗寒机制的认识,也为我们下一步研究指定了崭新的研究方向。本项目资助发表相关论文12篇(包括5篇 SCI论文,中文核心期刊7篇论文),申请国家发明专利2件(已受理);在该项目的支持下,课题骨干1名晋升为正高级,6 名硕士研究生顺利毕业,远超预期目标。
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