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

作者
吴美琴
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,basic helix-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Zm PIF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 geneexpression),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。
关键词
光敏色素作用因子;转录因子;抗旱机理;水稻;玉米PIFs转基因;农艺性状
页数
64
出版日期
2019-01-24
学位授予单位
扬州大学
学位年度
2017
学位
硕士
语言
chi
院系
细胞生物学
导师
高勇;陈建民
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