玉米PIFs转基因水稻节水抗旱功能解析及农艺性状初步分析

发布时间：2019-11-09 12:11

【摘要】：水资源短缺是目前制约农业生产的一个主要问题,随着世界人口不断的增长、人均水资源短缺、水资源分布不均等问题也愈发凸显。在水资源短缺不可逆转的形势下,除采用节水灌溉方式以外,生物节水在农业节水发展中的地位越来越受到重视。水稻是中国最主要的粮食作物之一,全国水稻产量约占粮食作物总产量的40%,稻田面积约占全国粮食作物总面积的28%,水稻也是农业用水的第一大户。如何提高水稻的水分利用效率,开展水稻节水抗旱研究,发展节水型水稻,缓解水资源的供需矛盾,在农业节水抗旱中具有突出意义。光敏色素作用因子(PIFs,Phytochrome-interacting factors)是碱性螺旋-环-螺旋(bHLH,basichelix-loop-helix)转录因子家族的第15亚族,参与了植物生长发育的多个方面,对植物生长发育的多个过程如:种子萌发、胚轴伸长、叶绿素生物合成、避荫反应、昼夜节律等都有调控作用,但关于光敏色素作用因子在干旱中的作用仍待阐明。在本实验室前期研究中,发现玉米PIFs转录因子ZmPIF1和ZmPIF3能够显著提高转基因水稻的抗旱性,然而ZmPIF1和ZmPIF3的抗旱机理还不太清楚。本研究运用植物生理学、分子生物学、基因表达谱分析等手段,研究PIFs在水稻中的抗旱机理,初步分析ZmPIF1和ZmPIF3转录因子与蒸腾、气孔、ABA和水稻产量之间的关系。1、通过离体叶片失水率测定、气孔导度和蒸腾速率测定以及气孔观察等实验,比较ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系与对照在蒸腾方面的差异。实验结果显示ZmPIF1和ZmPIF3通过减小气孔开度、降低蒸腾速率提高ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系的抗旱性,即节水抗旱。2、通过测定ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系萌发后对ABA的响应及内源ABA含量,进一步分析ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系气孔开度降低是否与ABA相关。实验结果显示ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系对外源ABA超敏感,但转基因株系和对照的内源ABA含量却无显著性变化,推测ZmPIF1和ZmPIF3可能参与ABA信号通路。3、通过比较ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系和野生型对照的表达谱(DGE,Digital gene expression),发现干旱胁迫相关基因、气孔开度相关基因以及ABA信号通路相关基因在ZmPIF1和ZmPIF3转基因株系中均显著上调。此外ABA合成、分解代谢相关基因在转基因株系和对照中均未变化,与内源ABA含量测定结果相符,进一步表明ZmPIF1和ZmPIF3可能通过参与ABA信号通路调节气孔开闭。4、为进一步研究ZmPIF1和ZmPIF3转录因子在水稻中的节水抗旱机制,本研究利用水稻酵母双杂交文库筛选ZmPIF1和ZmPIF3的互作蛋白,均筛选得到MYB家族转录因子。MYB转录因子在植物生长发育和逆境响应中起着重要的作用,但ZmPIF1和ZmPIF3与这些蛋白具体的互作机制仍需进一步研究。5、2015和2016年对ZmPIF1和ZmPIF3转基因水稻的农艺学性状进行统计,发现ZmPIF1和ZmPIF3能够增大转基因水稻的蘖角,增加有效分蘖数,进而增加水稻总产量。综上所述,这些结果表明ZmPIF1和ZmPIF3通过ABA信号通路控制气孔开闭,降低蒸腾速率,极显著提高转基因水稻的节水抗旱性,且转基因水稻具有较好的农艺性状,表明ZmPIF1和ZmPIF3在作物抗旱分子遗传改良中具有应用价值。
【图文】：

在千旱胁迫条件下，植物合成并积累ＡＢＡ诱导气孔关闭并减少水分散失。ＡＢＡ通过逡逑复杂的信号机制触发阴离子和Ｋ＋通过保卫细胞质膜离子通道流出保卫细胞，减少保卫细胞逡逑膨压、关闭气孔。如图１．１所示，在无ＡＢＡ存在时，蛋白a愃崦福玻茫ǎ校校玻茫�，ｐｒｏｔｅｉｎ邋ｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅ逡逑２Ｃ）使得植物鹿糖非发酵－１邋相关蛋白激酶邋２（ＳｎＲＫ２，邋ｓｕｃｒｏｓｅｎｏｎ－ｆｅｒｍｅｎｔｉｎｇ－ｌ－ｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｔｅｉｎ逡逑ｋｉｎａｓｅ）和Ｓ型阴离子通道脱磷酸化。值得注意的是，ＳＬＡＣ１邋（ＳＬＡＣ１，Ｓｌｏｗ邋Ａｎｉｏｎ逡逑Ｃｈａｎｎｅｌ－Ａｃｃｏｃｉａｔｅｄｌ）直接被ＰＰ２Ｃｓ脱磷酸化，所以需要防止非特异性胞质Ｃａ２＋激活Ｓ型逡逑阴离子通道、诱导气孔关闭。因此，胞质内的非特异性Ｃａ２＋增加，维持保卫细胞的膨压防逡逑止气孔关闭（Ｍｕｎｅｍａｓａ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５）。逡逑在ＡＢＡ存在时，ＡＢＡ受体ＰＹＲ／ＰＹＬ／ＲＣＡＲ结合并抑制ＰＰ２Ｃｓ，随后激活Ｃａ２＋非依逡逑赖蛋白激酶ＳｎＲＫ２�

本文编号：2558436