低温及外源ABA对玉米幼苗ZmASR1基因表达的影响

发布时间：2020-05-26 14:01

【摘要】：玉米(Zea mays L.)是对温度比较敏感的短日照作物。低温环境会不同程度影响玉米的产量与品质,尤其是玉米的幼苗期对低温更加敏感。ASR(abscisic acid,stress,ripening-induced)基因是从植物体中发现的受ABA、胁迫和成熟诱导表达的一类基因,具有保守的ABA/WDS结构域,ASR不仅是渗透调节蛋白,防御其他蛋白类物质免受损伤,也是一种转录因子,能够调控相应的非生物胁迫响应基因的表达,在植物响应生物胁迫和非生物胁迫中具有主要作用。目前,在多种植物中已经克隆得到ASR基因,但这些ASR基因响应逆境的类型、程度存在很大差异。有关玉米ASR1的抗低温研究,国内外尚未见报道,且ASR1在玉米抗冷过程中的功能表达尚不清楚。因此,开展玉米ASR1基因响应低温胁迫机制的研究,为解析ZmASR1抗逆调控机制研究基础,对农业生产上通过遗传改良提高玉米耐低温能力具有重要意义。试验于2014-2017年在东北农业大学农学院玉米栽培生理实验室进行,以玉米品种“郑单958”、耐低温型玉米自交系郑58、低温敏感型玉米自交系昌7-2为供试品种。试验开展前期通过在NCBI上比对了7个序列相似、功能未知的玉米基因序列,对郑单958三叶期幼苗进行低温胁迫处理,应用qPCR技术分析7个候选基因在低温诱导下的表达模式,筛选出3个表达量较高基因,之后以耐低温型玉米自交系郑58,低温敏感型玉米自交系昌7-2为试验材料,分别在低温胁迫、外源ABA处理、ABA+低温胁迫条件下,分析3个基因在玉米幼苗根、茎、叶片组织中的表达模式,筛选出表达量相对较高、表达稳定的候选基因ZmASR1,采用农杆菌转化法以哥伦比亚生态型拟南芥(Clo-0),和低温敏感型玉米自交系昌7-2为转化材料,获得了拟南芥和玉米ZmASR1超表达转基因植株,并在不同逆境胁迫处理下鉴定了其功能,主要研究结果如下:(1)在低温、ABA、ABA+低温处理下,ZmASR1在不同低温类型玉米幼苗材料中表达量不同,在不同组织中表达量也存在差异。耐低温玉米自交系郑58(Z58)中ZmASR1表达量高于低温敏感型昌7-2(C7-2),ZmASR1表达量在根、茎、叶片中都表现为上调,表达量叶片根茎;低温胁迫下,玉米幼苗根部ZmASR1表达量在48 h达到最大值,茎和叶片中24 h达到最大值,茎和叶片优先表达;ABA诱导下,ZmASR1在幼苗根部先开始表达。ABA与低温互作对ZmASR1表达量的正调控作用与单独ABA处理无显著差异,未表现出叠加效应,但大于单独低温处理,ZmASR1在低温胁迫下的表达一定程度上依赖于ABA调控(2)ZmASR1过表达增强玉米幼苗的抗冷性。在低温胁迫下,ZmASR1-OE转基因玉米幼苗较野生型表现出较强的光合作用能力,PSⅡ最大光能转换效率(Fv/Fm)、光合速率(Pn)、SPAD值高于野生型;也表现出较高的保护酶系统活性,SOD、POD和CAT活性高于野生型;还表现出较低的细胞膜损伤和膜脂过氧化程度,MDA、脯氨酸含量高于野生型,相对电导率低于野生型。(3)ZmASR1转化拟南芥提高了拟南芥植株的抗冷性。在低温胁迫下,ZmASR1拟南芥转基因植株与野生型相比表型出较高的叶绿素含量,较低的电导率和脯氨酸含量,与野生型相比具有较高的抗低温能力。(4)喷施外源ABA,提高了玉米幼苗内源ABA含量,ZmASR1-OE转基因幼苗ABA含量高于野生型,ZmASR1过表达对植物体内ABA的合成起到正向调控作用。ABA/GA、ABA/IAA比值高于野生型,ZmASR1-OE转基因幼苗与野生型相比,内源激素的改变增强了植株耐低温能力。(5)ZmASR1的过表达使拟南芥表现出了对ABA的敏感效应。在萌发阶段ZmASR1拟南芥过表达转基因株系表现出对ABA胁迫的高度敏感性,ABA抑制种子萌发;并且在苗期蒸腾速率和气孔导度也比野生型拟南芥低,并随着ABA浓度的增加而降低,说明ZmASR1的过表达使拟南芥表现出了对ABA的敏感效应。(6)ZmASR1正向调节胁迫相关基因的表达。转ZmASR1基因拟南芥植株中干旱诱导基因RD29B,冷响应基因COR15A和RD29A,盐和水份胁迫诱导基因RD22,ROS清除相关酶类基因CAT3表达量上调,ZmASR1-OE转基因玉米幼苗中抗氧化防护基因SOD4、CAT1、cAPX表达量上调,表明ZmASR1通过正向调控胁迫相关基因的表达增强植株的抗逆性。
【图文】：

冷害,延迟型冷害,玉米

图 1-1 冷害对细胞膜系统的损伤[12]Fig. 1-1 Damage of cell membrane system by chilling injury米冷害分为障碍型冷害、延迟型冷害和混合型冷害。障碍型冷短期的低温，导致玉米不能正常成熟；延迟型冷害是指在玉米，使得玉米的生育进程延缓，导致玉米在霜冻前不能成熟，造指同一年度或一个生长季节内同时遭受延迟型与障碍型两种冷，甚至不能正常生长[16]。玉米苗期遭遇低温，叶片不能进行光含量下降，导致 SPAD 值下降，叶片净光合速率（Pn）、蒸腾

玉米,低温胁迫,低温诱导,基因

图 1-2 低温胁迫下相关基因传导途径[56]Fig. 1-2 Gene transduction pathways under low temperature stress3 玉米中抗冷性相关基因前已有很多关于玉米抗冷基因的研究报道，例如，将抗冷基因 ZmRLK、Zm1 转化到拟南芥中，结果表明转基因株系对低温的耐受能力增强[57-59]。有些调节玉米的耐冷性，将玉米中受低温胁迫诱导基因 ZmRanBP1 转化到拟南芥，突变体在低温胁迫和盐胁迫下发芽率显著高于野生型，推测 ZmRanBP1 基节玉米耐低温和盐胁迫的能力[60]。温胁迫往往加速植物的衰老，有研究表明，，低温诱导玉米中 ZmCDPK1 基因PK1 基因可以诱导玉米活化蛋白激酶（MAPK）的增加，且 MAPK 可以加速程，表明低温胁迫可以加速植物细胞的衰老和死亡[61,62]。低温胁迫也会加速化过程，促进植株衰老。有研究表明，NPK1 基因过表达可以增强玉米抵御力[63]。参与编码过氧化氢酶的基因 CAT3 基因属于低温诱导，说明了玉米在时 ROS 防御系统起到重要的作用[64]。米中一些低温诱导表达基因依赖于 ABA 信号传导，同时也受干旱和盐碱等于依赖于 ABA 的信号转导途径，比如 ZmDBF 和 ZmDREB2A[65-67]。玉米中一达基因不依赖于 ABA 的信号传导，比如 ZmDREB1A 受低温胁迫诱导表达，
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513

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