玉兰开花生热中线粒体活体动态分析及产热机制研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
31770201
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
王若涵
依托单位：
北京林业大学
学科分类：
C0207.植物生殖与发育
结题年份：
2021
批准年份：
2017
项目状态：
已结题
起止时间：
2018-01-01 至2021-12-31

项目参与者：
肖建伟；马淇；王艳茹；吕雪芹；张出兰；刘丽娅；
关键词：
显微结构线粒体炫能量代谢开花生热花

项目摘要

Flowers can produce a considerable amount of heat in some plants; this animal-like behavior plays critical roles in reproductive development of thermogenic plants via multiple biological functions. However, regulatory mechanisms underlying floral thermogenesis remain elusive. Especially, there is a growing need to systematically study the energy supply system dependent on functional dynamics of mitochondria. In consideration of the insufficiency of previous investigations, we will use Magnolia denudata (Magnoliaceae) as the material to (1) precisely identify and sample key thermogenic tissues and cells; (2) analyze morphological and distributional dynamics of mitochondria in thermogenic cells; (3) explore the functions of mitochondrial dynamics represented by mitoflash during floral thermogenesis; (4) analyze expression patterns of mitoflash-related genes, including AOX and UCP. In this project, we will apply several new technologies, including high-resolution infrared thermography, ultrahigh spatial-temporal resolution two-photon microscopy, and structured illumination microscopy (SIM). The results of this project will lead to a systemic view into regulatory roles of functional dynamics of mitochondria in floral thermogenesis, which is fundamental for unraveling the whole regulatory framework of floral thermogenesis.

有些植物的花器官能够主动产生大量热能，这种类似于动物的生热行为具有多样的生物学功能，对生热植物的生殖发育至关重要。然而，有关开花生热的调控机制迄今尚不明确，尤其是针对线粒体功能动态决定的开花生热能量供应体系，缺乏系统的深入研究。针对前人工作的不足，本项目将以玉兰为材料，运用高分辨红外微距热成像技术、超高时空分辨率双光子显微成像以及结构光学显微成像(SIM)等新技术，着重开展以下研究：（1）关键生热部位的精确定位和活体生热细胞的精准获取（2）生热细胞内线粒体形态学变化与动力学行为分析；（3）以线粒体炫为表征的线粒体生理动态在开花生热中的功能分析；（4）与线粒体炫紧密相关的AOX和UCP等关键基因的表达模式分析。综合上述研究，系统分析线粒体功能动态对于开花生热的调控作用，为深入揭示植物开花生热调控网络奠定基础。

结项摘要

植物开花生热的功能与机制研究，属于能量代谢的前沿热点问题。能量代谢是生命活动的重要基础，开花生热作为植物界剧烈的能量代谢活动之一，为理解细胞能量代谢提供了良好的研究对象。本研究（1）率先搭建了高分辨红外微距热成像技术（HMIT）平台，实现了超分辨模式下红外成像数据的精准采集，为开花生热的深入研究奠定了扎实的精准取样技术基础；（2）在玉兰生热细胞中首次发现线粒体炫在生热细胞内的发生及其频率差异，其伴随ROS爆发及线粒体膜电位震荡的高频次产生。随着生热中线粒体数量明显增多，线粒体形态发生不规则的剧烈变化，表明在开花生热过程中线粒体活性明显增加。由于线粒体炫高频次发生产生大量ROS，进而导致ROS在生热细胞中大量积聚。（3）进一步发现呼吸中AOX呼吸途径贡献率在生热过程中显著增加，这很可能与线粒体炫的高频爆发有关，源于AOX蛋白能够减少细胞中过量的ROS，保护并维持细胞的正常生理状态，最终导致生热细胞产生大量热量。以上对线粒体功能动态的分析，对揭示开花生热的调控作用以及深入解析植物开花生热调控网络奠定了扎实的基础，相关成果发表在Frontiers in Plant Science 、《中国科学》等国内外主流期刊。由于开花生热是极其复杂的生物学过程，其调控机制的深入揭示亟待借助于生物物理、植物生理、生物化学、生物信息学、代谢组学及分析化学等多学科手段的协作，进一步明确开花生热的能量供应机制，从而为树木能量代谢提供新视角，在植物开花生热研究领域引领和拓展国际前沿。