小麥漸滲系山融4號根系堿脅迫響應轉錄組及相關基因功能研究.pdf

1、土壤鹽漬化是制約農業(yè)生產的重要因素。堿性土壤呈高pH，易板結，通透性差，肥力低。研究表明，土壤的堿化是由于土壤中含有大量的NaHCO3和Na2CO3成分，造成土壤具有較高的pH，這種堿性土壤往往比含有NaCl和Na2SO4等中性鹽的土壤給植物造成更為嚴重的傷害。目前對植物的耐鹽機制已經有了廣泛的研究，但對植物堿脅迫抗性機制的研究還很少，因此迫切需要加強植物尤其是農作物耐堿機制的研究。
　　1、山融4號是研究小麥耐堿機理和耐堿功能基

2、因篩選的良好材料
　　山融4號(Shanrong No.4，簡稱SR4)是從普通小麥濟南177（Triticumaestivum L.2n=42）與其耐鹽堿近緣屬長穗偃麥草（Thinopyrum ponticum2n=70）不對稱體細胞融合雜種中篩選出來的耐鹽漸滲系新品種。在本論文中，我們對山融4號和對照品種在不同鹽堿地、鹽堿池中的產量指標進行了測定。2013年，在東營市孤島馬場的鹽堿地中山融4號和小麥漸滲系耐鹽品種山融3號的生長

3、狀況遠好于它們的對照親本濟南177，另外在濰坊市寒亭鹽堿地中山融4號的表現也好于耐鹽小麥的對照品種德抗961。2014年，在東營市墾利縣鹽堿地的種植實驗中，山融4號較山融3號和濟南177分別增產15.0％和35.4％。在東營市孤島鹽堿地的種植實驗中，山融4號較山融3號和濟南177分別增產18.6％和42.4％。在人工澆灌的堿池中，山融4號的產量也明顯高于濟南177和山融3號。綜合上述結果表明山融4號具有很強的耐堿性。
　　2、利用

4、第二代轉錄組測序技術分析小麥根系堿脅迫相關功能基因
　　我們觀察了濟南177和山融4號幼苗期在堿脅迫下的表型，實驗結果顯示，山融4號在幼苗期的生長發(fā)育明顯優(yōu)于親本濟南177。葉片及根中各項生理生化指標測定顯示，山融4號在脯氨酸含量及各種清除酶活性上均優(yōu)于濟南177，而Na+/K+和丙二醛(MDA)含量則低于濟南177。我們利用第二代高通量測序技術分析了對照條件及堿處理0.5h及24 h條件下，濟南177和山融4號中的基因表達變化。

5、在六組樣品中，我們一共獲得了2814938個原始數據，數據篩選后有1229902條高質量的數據。通過與參考數據庫的比對，有123730條基因得到注釋。研究發(fā)現，在這兩種不同品種的小麥中，堿脅迫條件下差異表達基因的GO分析富集的途徑是非常相似的，主要集中在各種化合物的代謝過程、脅迫響應途徑及物質運輸途徑。堿脅迫條件下，山融4號在吸收營養(yǎng)所需的陰離子和陽離子，維持植物體內pH及根系周圍環(huán)境pH，有效地清除活性氧及表觀遺傳修飾的相關基因具有表

6、達優(yōu)勢，可能參與到山融4號對堿脅迫的響應機制。
　　3、Aux/IAA蛋白家族基因TaIAA10影響植物對堿脅迫的抗性
　　在轉錄組數據中，我們找到了一個在堿脅迫下表達發(fā)生變化、且在山融4號和濟南177中變化趨勢不同的生長素早期響應Aux/IAA蛋白家族基因TaIAA10。之前有研究表明，生長素可以減少堿脅迫的抑制作用，但是具體的調節(jié)機制尚不清楚，所以我們研究了生長素是否影響山融4號對堿脅迫的響應。通過觀察比較對照條件、單獨

7、的堿脅迫條件及同時施加生長素和堿脅迫條件下山融4號的生長狀況，發(fā)現生長素的添加減弱了堿脅迫對山融4號生長的抑制作用。為了驗證TaIAA10基因的功能，我們構建了該基因的小麥過表達株系(OX)及擬南芥過表達系(OE)。表型分析顯示，在堿脅迫條件下，野生型小麥葉片明顯萎蔫，葉片變黃，OX系葉片呈現綠色，根長大子野生型，表明TaIAA10提高了小麥對堿脅迫的抗性。在NaHCO3及堿性pH處理條件下，擬南芥OE系與野生型在萌發(fā)率上沒有明顯區(qū)別，

8、但萌發(fā)后幼苗的生長明顯好于野生型。幼苗期，OE系在堿性pH條件下的葉片生長及根的相對生長要明顯好于野生型。以上結果表明:TaIAA10可能參與植物對堿脅迫的響應過程。
　　4、Aux/IAA蛋白家族基因TaIAA10影響植物發(fā)育
　　TaIAA10編碼一個Aux/IAA蛋白，主要在細胞核中定位，具有該蛋白家族的四個保守結構域。TaIAA10與短柄草、水稻、高粱及玉米等禾本科植物中同源基因相似性較高。TaIAA10過表達不影響

9、擬南芥種子的萌發(fā)率，但是抑制了幼苗子葉和根的生長，同時導致下胚軸伸長。另外，OX的地上部分，OE系的下胚軸和根喪失了重力性反應。觀察正常條件下生長約一周的野生型及OE系，我們發(fā)現，OE系不能形成側根。AtLBD29基因在OE系中的表達量明顯低于野生型，可能與OE系不能形成側根相關。與野生型相比，白光下OE系的下胚軸更長，黑暗下、遠紅光和藍光條件下則比野生型短，表明TaIAA10參與了光形態(tài)建成過程。TaIAA10的表達量受到NAA的誘導

10、，在24 h恢復至對照水平。OE系植株表現出對高濃度生長素的不敏感性，表明TaIAA10可能通過植物體內生長素信號途徑來調控植物的發(fā)育。
　　5、TaIAA10通過ABA合成和信號途徑提高植物對非生物脅迫的抗性
　　利用OE系進一步探討TaIAA10提高植物對非生物脅迫的抗性機理。在外源添加ABA條件下，OE系在萌發(fā)后幼苗形成及幼苗期的根的生長上表現出更高的耐受性。進一步分析顯示，OE系中ABA合成途徑中關鍵酶AtNCED3

11、及ABA依賴的脅迫應答途徑中的AtMYC2、AtRD29B和AtRAB18的表達顯著上調;AtABI3、AtABI4和AtABI5的表達量顯著下調。擬南芥OE系在滲透脅迫條件下，幼苗期的相對根伸長比野生型要高，表現出對滲透脅迫的抗性。氧化脅迫條件下，OE系與野生型相比，敏感性降低。OE系中AtAPX2及AtSOD的表達量上調。與后兩種脅迫處理相比，OE系在ABA處理條件下的表型更明顯，且ABA信號通路相關基因的表達變化更大。綜合以上結果