水稻生殖期干旱誘導(dǎo)基因OsFID和OsDIL的功能分析.pdf

1、我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，水資源嚴(yán)重短缺，干旱土地面積呈每年遞增的趨勢(shì)。水稻是主要糧食作物之一，其產(chǎn)量占世界糧食總產(chǎn)量的一半以上。近幾年我國水稻主要栽培區(qū)，特別是長江流域，經(jīng)常發(fā)生伏旱，嚴(yán)重影響了水稻的生產(chǎn)。而水稻生殖發(fā)育階段是最容易受環(huán)境因素影響的環(huán)節(jié)，水稻生殖發(fā)育主要包括花器官的發(fā)育、雄蕊細(xì)胞的分裂和分化、減數(shù)分裂、花粉發(fā)育、受精過程和灌漿等。如孕穗期遭遇干旱，水稻產(chǎn)量會(huì)降低一半以上。前期研究發(fā)現(xiàn)，生殖期干旱會(huì)導(dǎo)致花粉不育，但只有致命的干

2、旱才會(huì)影響雌配子體的育性。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)缺水條件下水稻花發(fā)育進(jìn)行了初步分析，特別關(guān)注了干旱對(duì)花粉發(fā)育的影響。
　　為了尋找能改善干旱條件下水稻產(chǎn)量的基因，并探索生殖期干旱誘導(dǎo)基因在調(diào)控干旱條件下水稻發(fā)育的作用機(jī)理，從干旱脅迫水稻花的芯片數(shù)據(jù)中篩選了13個(gè)生殖期干旱響應(yīng)基因進(jìn)行鑒定、分析和轉(zhuǎn)基因抗逆表型觀察，從中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)在水稻營養(yǎng)期和生殖期都具有抗干旱作用的基因:OsDIL（(O)ryza(s)ativa(D)rought-(I)nd

3、uced(L)TP）基因和OsFID((O)ryza(s)ativa(F)unctionally(I)mproved(D)rought-tolerance)基因。通過形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、生理生化和分子生物學(xué)等手段分析，探討這些基因在抗旱中的作用，具體結(jié)果如下:
　　一、生殖期干旱誘導(dǎo)基因的鑒定和轉(zhuǎn)基因水稻的獲得
　　從水稻花芯片結(jié)果中，篩選了13個(gè)干旱響應(yīng)的候選基因，分別構(gòu)建了它們的過表達(dá)和RNAi載體，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化到水

4、稻日本晴中，獲得了多個(gè)轉(zhuǎn)基因水稻株系;對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻進(jìn)行脅迫處理，通過表型分析，篩選到兩個(gè)對(duì)水稻干旱脅迫耐受性有改善作用的基因:OsFID和OsDIL。
　　二、過表達(dá)OsFID基因能夠改善水稻生殖期和營養(yǎng)期的抗旱能力
　　OsFID基因在水稻生殖期和營養(yǎng)期都受干旱誘孚上調(diào)表達(dá)。OsFID基因主要在水稻根、葉和種子中表達(dá)，特別是根和葉片維管組織中表達(dá)最高;雖然在花中表達(dá)較低，但干旱誘導(dǎo)迅速上調(diào)表達(dá)，且主要在水稻花藥絨氈層和維管

5、組織中表達(dá)，推測(cè)可能與雄性器官發(fā)育有關(guān)。
　　OsFID基因能改善水稻營養(yǎng)期和生殖期的抗旱能力;生殖期遭遇干旱，過表達(dá)OsFID基因水稻能保持水稻花粉育性并穩(wěn)定水稻產(chǎn)量，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量的提高主要是通過改善結(jié)實(shí)率，而不是增加千粒重來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的細(xì)胞學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)OsFID基因降低了干旱條件下水稻花藥缺陷的比例。
　　OsFID基因編碼R-R類型的MYB-like轉(zhuǎn)錄因子，定位在細(xì)胞核中。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，64個(gè)基因在干

6、旱條件下受OsFID基因的激活表達(dá)，這些基因參與多個(gè)生物過程，如脅迫響應(yīng)、細(xì)胞過程和代謝過程，其編碼的蛋白具有催化活性、結(jié)合和抗氧化活性，推測(cè)OsFID主要通過參與調(diào)控氧化還原相關(guān)基因的表達(dá)，來改善水稻花的育性。在OsFID激活的基因中還包括LTP（Lipid Transfer Protein）基因、水通道蛋白基因和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因等，這些基因的提高表達(dá)為干旱條件下改善水稻花藥發(fā)育提供了重要的養(yǎng)分和水分，能夠改善水稻花藥在逆境條件下的發(fā)育。

7、
　　以O(shè)sFID為誘餌從水稻花藥cDNA表達(dá)文庫中篩選與之相互作用的蛋白，發(fā)現(xiàn)32個(gè)可能與OsFID相互作用的蛋白，主要包括氧化還原相關(guān)蛋白和蛋白質(zhì)降解相關(guān)蛋白，推測(cè)OsFID蛋白主要參與氧化還原和蛋白降解過程。
　　三、過表達(dá)OsDIL基因能改善水稻生殖期和營養(yǎng)期抗旱能力
　　OsDIL基因編碼脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白(LTP)，在生殖期和營養(yǎng)期受干旱等脅迫誘導(dǎo);過表達(dá)OsDIL能提高水稻營養(yǎng)期和生殖期的干旱耐受能力。干旱條件

8、下，OsDIL基因過表達(dá)株系的葉片和植株存活率較野生型高，而卷葉比例和缺陷花藥比例較野生型低，從而使其表現(xiàn)出更好的抗旱能力。
　　過表達(dá)OsFID基因能夠提高POD等基因的表達(dá)，從而減少干旱導(dǎo)致的ROS(Reactive Oxygen Species)損傷;增加ABA合成相關(guān)基因和降低ABA降解相關(guān)基因的表達(dá)來增加水稻對(duì)干旱的耐受能力;另外，過表達(dá)OsFID水稻還提高了干旱條件下氧化還原和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)，從而減輕干旱帶來的