【摘要】：小麦是全球最重要的农作物之一,干旱等逆境严重影响了其产量,因此培育抗旱小麦非常重要。本实验室前期利用非对称体细胞杂交技术,以普通小麦济南177(JN177)为母本,培育了小麦渐渗系耐盐抗旱品种山融3号(SR3)。研究发现,山融3号的基因组发生了遗传学和表观遗传学变异,这种变异是其耐盐抗旱的遗传基础。黄酮醇是一类重要的次生代谢产物,在保卫细胞中大量富集。实验室前期研究从SR3中鉴定到了一个黄酮醇合成酶基因TaFLS1。由于表观遗传学变异,SR3中甲基化水平降低,TaFLS1的表达量明显提高。以拟南芥TaFLS1过表达株系及拟南芥AtFLS1突变体为材料,研究发现黄酮醇能够双重调节气孔运动,在正常条件下促进气孔张开,在干旱(ABA)条件下促进气孔关闭,进而提高抗旱能力。为了验证小麦TaFLS1通过黄酮醇双重调节气孔运动的功能,深入探讨其作用机制,本论文构建了小麦TaFLS1过表达(CE)株系和RNAi株系,结合小麦渐渗系SR3开展以下研究:1.黄酮醇通过双重调节气孔运动来提高小麦的抗旱性TaFLS1的过表达能明显提高小麦叶片和保卫细胞中的黄酮醇含量,在RNAi株系中正好相反。控水实验显示,TaFLS1过表达株系的抗旱性明显高于野生型,RNAi株系的抗旱性则明显比野生型低。同时,TaFLS1的过表达能降低小麦离体叶片失水率,其RNAi株系的失水率明显升高。在正常条件下,TaFLS1过表达株系叶片气孔关闭的比例明显低于野生型,而RNAi株系中的比例明显提高;ABA处理后气孔关闭的比例明显提高,但与正常条件相反,TaFLS1过表达株系气孔关闭的比例最高,RNAi株系最低。利用外源槲皮素的处理与TaFLS1过表达的结果相似,单独处理时关闭气孔的比例降低,而与ABA共处理关闭气孔比例明显高于ABA单独处理。以上结果表明,小麦中黄酮醇也可以双重调节气孔运动,在干旱胁迫下通过促进气孔关闭,进而降低失水率来提高抗旱性。2.黄酮醇调节气孔运动与其对调控保卫细胞中H202的含量相关H202在调控气孔运动中发挥着核心作用。正常条件下,小麦TaFLS1过表达株系的保卫细胞中H202的含量明显低于野生型,RNAi株系中的含量则明显高于野生型;ABA处理后,各株系的保卫细胞中H202的含量均明显升高,其中过表达株系中的含量提高最显著,明显高于野生型,RNAi株系中的提高程度较小,其含量远低于野生型。在正常条件下,TaFLS1过表达株系的NADPH氧化酶(NOX)的活性低于野生型但RNAi株系中的酶活性高于野生型;在干旱胁迫下,NOX的活性正好相反。以拟南芥为研究材料发现,在ROS清除剂处理或者NOX突变的背景下,外源黄酮醇和ABA共同处理与ABA单独处理的气孔开度无明显差异,TaFLS1的过表达对ABA诱导的气孔关闭也无促进作用。以上结果表明,黄酮醇通过改变NOX的活性来双重调控保卫细胞中H202的含量,从而双重调节气孔运动。3.黄酮醇调节气孔运动依赖其对保卫细胞中NO含量的调控NO是气孔运动信号通路中非常关键的二级信号分子。在正常条件下,外源黄酮醇处理和TaFLS1的过表达,能降低拟南芥和小麦中硝酸还原酶(NR)的活性及其编码基因AtNIA1和TaNR的表达量:在ABA处理下,外源黄酮醇处理和TaFLS1的过表达则会提高NR的活性及AtNIA1和TaNRR的表达。相应的,在正常条件下,在TaFLS1的过表达株系中,保卫细胞中NO的含量都明显低于野生型,在TaFLS1的RNAi株系及拟南芥AtFLS1突变体flsl-1中,保卫细胞中NO的含量则明显高于野生型;在ABA、JA处理及干旱胁迫下,保卫细胞中NO的含量均显著升高,其中过表达株系中的含量明显高于野生型,在小麦的RNAi株系及拟南芥的flsl-1中的上调最小,明显低于野生型。另一方面,NO的供体SNP能强烈诱导TaFLS1和AtFLS1的表达,并提高保卫细胞中黄酮醇的含量。研究发现,黄酮醇通过双重调节NR的活性来双重调控保卫细胞中NO的含量,NO也能调控黄酮醇的合成和含量,表明NO和黄酮醇之间存在密切的关系。我们进一步分析了 NO在黄酮醇促进ABA诱导气孔关闭中的作用。与单独的ABA处理相比,在ABA和外源黄酮醇共同处理下,小麦关闭气孔的比例更高,拟南芥气孔开度更小;利用NR的抑制剂抑制NR的活性后,在单独ABA处理与ABA和外源黄酮醇共同处理下,小麦关闭气孔的比例及拟南芥气孔开度的差异与无NR的抑制剂存在时的趋势相反。在ABA处理下,在TaFLS1的过表达株系中,小麦关闭气孔的比例高与野生型,在拟南芥的过表达株系中,拟南芥气孔开度小于野生型。但是,当利用NR的抑制剂抑制NR的活性后,TaFLS1的过表达不能提高ABA处理下小麦关闭气孔的比例和降低拟南芥气孔的开度。同样,在NR的突变体nia1、nia2中,TaFLS1幻过表达也不能提高ABA处理下的气孔开度。以上结果表明,黄酮醇可以通过调控保卫细胞中NO的含量来双重调节气孔运动,同时黄酮醇促进ABA诱导的气孔关闭也依赖NO。4.黄酮醇双重调节气孔运动中NO与H2O2之间的关系NO和H202在调控气孔运动中具有相互调控的关系。本研究发现,在正常条件下,TaFLS1过表达株系中NOX的活性低于野生型,在SNP处理后,过表达株系中NOX的活性则明显提高。在野生型中,黄酮醇处理会降低保卫细胞中H2O2的含量,在黄酮醇和ABA共同处理下,则促进H2O2富集;与野生型不同,在NR的突变体nia1和nia2中,与对照条件相比,无论黄酮醇处理还是黄酮醇和ABA共同处理,保卫细胞中H2O2的含量均无明显变化。同样,在NR的突变体nia1和nia2中,正常条件下TaTLS1的过表达也不能降低保卫细胞中H2O2的含量,且ABA处理下不能提高H2O2的含量。以上结果表明,黄酮醇对保卫细胞中H2O2含量的调控依赖于NO。另一方面,与野生型相比,正常条件下TaFLS1过表达系中NR的活性下降,但在H2O2处理后NR的活性明显提高。与野生型中黄酮醇处理降低保卫细胞中NO的含量,与黄酮醇和ABA共同处理促进NO的富集不同,在NOX的突变体rbohd和rbohf中,与对照条件相比,黄酮醇处理以及黄酮醇和ABA共处理下保卫细胞中NO含量均无明显变化。同样,在NOX的突变体rbohd和rbohf中,正常条件下TaFLS1的过表达也不能降低保卫细胞中NO含量,且在ABA处理下不能提高NO含量。以上研究表明,黄酮醇对保卫细胞中NO含量的调控依赖于H2O2。总之,黄酮醇通过协同调控保卫细胞中NO和H2O2的含量调控来调节气孔运动。综合本研究及实验室的前期研究结果,我们发现保卫细胞中高度富集的黄酮醇,通过双重调控保卫细胞中NO和H2O2的含量来双重调节气孔运动:在正常条件下促进气孔张开,有利于增强气体和水分交换,提高光合作用和蒸腾效率;在干旱胁迫下促进气孔关闭,降低失水率,增强植物的保水能力,提高抗旱性。本研究工作首次将次生代谢物质引入了气孔运动的信号调控网络,为进一步认识气孔运动的调控机制提供了重要线索。同时,TaFLS1也可作为重要的分子元件用于小麦抗旱的分子育种。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S512.1
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本文编号：
2258622
