建立气孔保卫细胞与副保卫细胞系统模型以探索提高大麦水分利用效率的方法

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31871537
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1304.作物生理学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Agricultural water usage accounts for some 70% of all human water consumption. It is a key factor in crop production. As an important organ for the gaseous exchange and water loss, stoma is often considered to be related to crop’s photosynthesis and water use efficiency. Stomatal guard cell and subsidiary cell membrane transport is integral to controlling stomatal aperture,which directly affects the water use efficiency in barley. To date, however, it is still not clear how the ion transport network of guard cell and subsidiary cell affects the stomatal behavior and water use efficiency. Quantitative systems analysis offers an effective approach to exploring the link between microscopic ion transport and the macroscopic characteristics of stomatal physiology. Therefore, based on the original guard cell model platform, a novel barley stomatal model will be developed in this project by introducing the ion transport mechanism between guard cell and subsidiary cell. Employing the new model, this project will in-depth study the relationship of stomatal behavior and water use efficiency, and explore the potential ways to enhancing water use efficiency in barley.
农业用水约占人类用水总量的70%,是粮食生产中的重要要素。气孔作为植物用来与外界交换气体和水分的重要器官,与作物光合作用和水分利用效率密切相关。气孔保卫细胞与副保卫细胞的跨膜运输调节着大麦气孔开闭,直接影响着作物水分利用效率。然而到目前为止,对于大麦保卫细胞与副保卫细胞离子运输网络是如何影响作物气孔行为和水分利用效率的机制尚不清楚。定量系统的分析方法为探索微观离子运输与宏观气孔生理活动之间的联系提供了一种有效的研究手段。因此,申请人拟在双子叶模型平台基础之上,通过引入保卫细胞与副保卫细胞之间离子交换机制,建立新颖的大麦气孔保卫细胞与副保卫细胞模型。借助模型的分析,本项目将深入研究大麦气孔行为以及其与水分利用效率的之间关系,并探索提高大麦水分利用效率的方法。

结项摘要

农业用水约占人类用水总量的70%,是粮食生产中的关键要素。气孔作为植物用来与外界交换气体和水分的重要器官,与作物的光合作用和水分利用效率密切相关。气孔保卫细胞与副卫细胞跨膜运输调节这大麦气孔开闭,直接影响着作物水分利用效率。然而到目前为止,对于大麦保卫细胞与副卫细胞离子运输是如何影响气孔行为和水分利用效率的机制尚不清楚。本项目集成电生理学、系统生物学、植物生理学等前沿学科的技术和研究方法,开展以下研究工作:(1)通过对比普通栽培大麦与耐旱栽培大麦品种叶片的气孔行为,发现在耐旱品种中由ROS所介导的气孔调控差异以及其导致的不同的干旱适应性,进而明确了大麦气孔生理作用及其对水分利用效率的影响;(2)通过对比普通栽培大麦与西藏野生大麦耐旱性的差异,揭示了西藏野生大麦可有效利用K+以维持气孔活性来应对干旱胁迫,从而阐明大麦在干旱胁迫下的气孔调控机制;(3)构建大麦气孔计算生物学模型,进行方法的优化,并形成了一套标准化的操作流程,为广大的科研工作者开展气孔生理的研究工作提供了必要的指导;(4)通过模型的模拟分析发现气孔保卫细胞液泡中Ca2+-ATPase对气孔行为及Ca2+的稳态的影响,揭示了保卫细胞内膜Ca2+存储在气孔在波动光和CO2的反应中的关键调控作用,进而阐明Ca2+-ATPase对植物CO2响应以及碳水利用率的影响;(5)通过模型的模拟分析发现气孔保卫细胞上H+-ATPase对气孔动态变化的影响。通过在保卫细胞中过表达H+-ATPase显著增加气孔的反应速度,从而提高其在波动光照下的水分利用效率。基于以上研究结果,本项目明确了以下三个科学问题:(1)大麦气孔行为与水分利用效率的关系;(2)大麦气孔主要离子的交换机制;(3)发现通过在保卫细胞中过表达H+-ATPase来提高水分利用效率的新方法。本研究阐明了大麦气孔的调控机制,并借助新型气孔模型的模拟分析辅以生物学实验验证,发现了提高大麦水分利用效率的新方法、新途径,为今后有效提高C3作物碳水利用效率提供了理论指导和技术支撑。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Guard cell endomembrane Ca2+-ATPases underpin a 'carbon memory' of photosynthetic assimilation that impacts on water-use efficiency
保卫细胞内膜Ca2+-ATP酶支撑光合同化的“碳记忆”,影响水分利用效率
  • DOI:
    10.1038/s41477-021-00966-2
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Nature Plants
  • 影响因子:
    18
  • 作者:
    Jezek Mareike;Silva-Alvim Fern;a A. L.;Hills Adrian;Donald Naomi;Ishka Maryam Rahmati;Shadbolt Jessica;He Bingqing;Lawson Tracy;Harper Jeffrey F.;Wang Yizhou;Lew Virgilio L.;Blatt Michael R.
  • 通讯作者:
    Blatt Michael R.
植物气孔计算生物学模型及其应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    科学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    何冰清;芮蒙蒙;马越;王一州
  • 通讯作者:
    王一州
Quantitative system modelling bridges the gap between macro- and microscopic stomatal model
定量系统建模弥合了宏观和微观气孔模型之间的差距
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Advanced Biology
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Mengmeng Rui;Yi Jing;Hangjin Jiang;Yizhou Wang
  • 通讯作者:
    Yizhou Wang
Stomata conductance as a goalkeeper for increased photosynthetic efficiency
气孔导度作为提高光合作用效率的守门员
  • DOI:
    10.1016/j.pbi.2022.102310
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Current Opinion in Plant Biology
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Yin Wang;Yizhou Wang;Yanhong Tang;Xin-Guang Zhu
  • 通讯作者:
    Xin-Guang Zhu
Mechanistic Insights into Potassium-Conferred Drought Stress Tolerance in Cultivated and Tibetan Wild Barley: Differential Osmoregulation, Nutrient Retention, Secondary Metabolism and Antioxidative Defense Capacity
钾赋予栽培大麦和西藏野生大麦的干旱胁迫耐受性的机制见解:差异渗透调节、养分保留、次生代谢和抗氧化防御能力
  • DOI:
    10.3390/ijms222313100
  • 发表时间:
    2021-12-03
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Sehar S;Adil MF;Zeeshan M;Holford P;Cao F;Wu F;Wang Y
  • 通讯作者:
    Wang Y

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SNARE蛋白介导质子泵囊泡运输及其对大麦气孔行为与水分利用效率影响机制的研究
  • 批准号:
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    面上项目
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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