不同抗旱性青稞LEA2/LEA3蛋白基因的克隆与表达

【摘要】： 作物的抗旱性是一个多基因控制的、极为复杂的数量性状，植物对干旱在分子水平上的差异反应通过植物组织生理和细胞生物学水平，最终表现为植物抗旱性的不同。在我国，旱地农业超过耕地面积的50％，但水资源短缺，因此培育和选育抗旱高产作物是发展节水型农业最有效的途径。 青藏高原气候恶劣、年均降雨量少，也是世界大麦初生起源中心，因而蕴藏了十分丰富的与抗逆相关的种质资源材料，从这些特殊的资源材料克隆抗旱基因，不仅对培育抗旱、优质、高产大麦新品种具有重要理论意义和经济价值，而且对整个作物抗旱基础和育种应用研究都具重大促进作用。 为了筛选青稞(裸大麦，Hordeum vulgare ssp．vulgare)抗旱性材料，本研究选用来自青藏高原不同地区的84份青稞为材料，在叶片失水率(water loss rate，WLR)检测分析的基础上，选择失水率值差异显著的12个品种，通过相对含水量(relative water content，RWC)和反复干旱法评价其抗旱性，并通过植株对干旱胁迫下的丙二醛(MDA)含量和游离脯氨酸(free-proline)含量变化，了解不同抗旱性材料的生理反应特性。选择抗旱性强弱不同的品种各两份进行LEA2蛋白基因(Dhn6基因)、LEA3蛋白基因(HVA1基因)的克隆，比较LEA蛋白结构差异与作物抗旱性之间的关系。同时，对抗旱性不同的青稞品种受到干旱时间不同的失水变化率(dynamics water loss rate，DWLR)进行了检测；对抗旱性不同的青稞对照材料进行2h、4h、8h和12h的快速干旱处理，通过SYBR Green实时荧光定量RT-PCR技术对Dhn6基因、Dhn11基因、Dhn13基因和HVA1基因在不同抗旱性材料受到不同干旱时间处理后的相对表达水平进行了检测。本研究对LEA蛋白基因在抗旱性不同的青稞材料中的干旱胁迫分子水平上的差异反应进行了研究，也对植物的抗旱机理进行了初步探讨。主要研究结果如下： 1．青稞苗期进行离体叶片失水率测定结果表明，来自青藏高原的84份青稞材料的WLR在0．086～0．205gh~(-1)g~(-1)DW之间。选择WLR低于0．1gh~(-1)g~(-1)DW和WLR高于0．18gh~(-1)g~(-1)DW的品种各6份，并对苗期分别进行未干旱及干旱12小时的处理。相对含水量检测结果表明，低失水率青稞材料干旱后的具有更高的相对含水量，盆栽缺水试验也显示叶片失水率低的材料耐旱能力强于失水率高的材料。通过水合茚三酮法测定离体叶片游离脯氨酸的含量，结果表明，所有品种未干旱处理时，游离脯氨酸含量差异不大(17．10～25．74μgg~(-1)FW)；干旱12小时后，低失水率的品种游离脯氨酸含量明显增高(32．99～53．45μgg~(-1)FW)，高失水率品种的游离脯氨酸含量与干旱前变化不明显(P＜0．05)。硫代巴比妥酸法测定离体叶片丙二醛(MDA)含量，结果显示，12份所选对照品种中，丙二醛的含量在0．97～2．74nmolg~(-1)FW，干旱12小时后丙二醛的含量显著上升(1．46～4．74nmolg~(-1)FW)，高失水率的6个品种的丙二醛含量在未干旱和干旱处理时都明显高于低WLR品种。本研究结果表明青稞的低失水率、低丙二醛含量、高相对含水量和高脯氨酸含量具相关性(P＜0．05)。综上研究，我们认为作物失水率的测定可以作为快速检测作物抗旱性的指标之一，因此，强抗旱品种喜玛拉10号(TR1)、品比14号(TR2)和弱抗旱品种冬青8号(TS1)、QB24(TS2)被选作抗旱基因克隆和表达分析的研究材料。 2．高等植物胚胎发育晚期丰富蛋白(late embryogenesis abundant proteins，LEA proteins)与植物耐脱水性密切相关，为了探讨青稞LEA蛋白结构差异性与植物抗旱性的关系，本研究以强抗旱品种(喜玛拉10号、品比14号)和弱抗旱品种(冬青8号、QB24)为材料，利用同源克隆法，通过RT-PCR，分别克隆了与抗旱性密切相关的Dhn6基因和HVA1基因。Dhn6基因序列分析结果表明，强抗旱品种品比14号和弱抗旱品种冬青8号Dhn6基因所克隆到的序列为1026bp，它们之间只有5个碱基的差异；喜玛拉10号和QB24克隆到的序列长963bp。在强弱不同的抗旱品种中有22个核苷酸易突变位点，相应的脱水素氨基酸序列推导结果表明，22个核苷酸突变位点中，仅有8个位点导致相应的氨基酸残基的改变，其余的位点系同义突变，另外，21个富含甘氨酸序列的缺失并没有联系作物抗旱性特征。推测这些同义突变位点的氨基酸残基对维持青稞DHN6蛋白的正常结构和功能起着非常重要的作用，也可能DHN6蛋白对青稞长期适应逆境胁迫和遗传进化的结果。对HVA1基因的序列分析结果表明，冬青8号、QB24、品比14号和喜玛拉10号的目的基因核苷酸序列全长分别为661bp、697bp、694bp和691bp，它们都包含1个完整的开放阅读框。相应的LEA3蛋白氨基酸序列结果表明，11个高度保守的氨基酸残基组成基元重复序列的拷贝数与青稞抗旱性之间没有必然关系，在强抗旱品种(喜玛拉10号、品比14号)中三个共同的氨基酸突变位点Gln_(32)、Arg_(33)和Ala_(195)可能对抗旱蛋白的结构和功能有影响；另外，强抗旱青稞品种LEA3蛋白质中11-氨基酸保守基元序列拷贝数和极性氨基酸占蛋白的比例更高，推测LEA3蛋白中基元序列拷贝数和极性氨基酸占蛋白的比例对该蛋白的结构和功能影响更大。 3．LEA蛋白基因的表达水平的上调与植物的耐脱水性密切相关，我们对强抗旱性材料(喜玛拉10号、品比14号)和弱抗旱材料(冬青8号、QB24)进行干旱处理2h、4h、6h、8h和10h的失水变化率进行测定，结果表明弱抗旱品种在2～4小时之间失水率变化最明显，而四个对照品种的失水率在8小时后和24小时的失水率值变化不大。进一步提取青稞苗期进行2h、4h、8h和12h的干旱处理后的总RNA，通过SYBR Green实时荧光定量RT-PCR技术对青稞脱水素基因(Dhn6、Dhn11和Dhn13)和LEA3蛋白基因(HVA1)的相对表达水平受干旱时间和作物抗旱性的影响进行了检测。研究发现，抗旱性不同的青稞品种随干旱处理的时间延长，Dhn6、Dhn11、Dhn13和HVA1基因的相对表达水平不同。Dhn6基因的相对表达水平在强抗旱青稞品种干旱8小时后快速上升，但在弱抗旱青稞品种干旱处理12小时后检测到更高表达量；Dhn11基因在对照青稞抗旱品种的表达累积水平随干旱时间的延长持续下降；整个干旱过程中，Dhn13基因的相对表达水平在弱抗旱品种持续上升，在强抗旱品种中干旱处理8小时快速上升并达到最高，干旱12小时后降低。与脱水素基因相比较，强抗旱青稞品种在干旱2小时后HVA1基因的相对表达水平显著升高，相对表达量随干旱处理的时间持续上升，在干旱12小时后达到最高；与之相比较，在整个干旱过程中，弱抗旱品种的相对表达水平显著低于强抗旱品种，在干旱8小时之前弱抗旱品种的相对表达水平变化不明显；在干旱8～12小时后却显著上升。上述结果表明，不同的LEA蛋白在植物耐脱水过程中的干旱表达累积水平不同；干旱不是诱导高等植物Dhn11基因表达的主要因素：植物的抗旱性不同，不同LEA蛋白基因对干旱的反应有差异。推测某些LEA蛋白基因的干旱胁迫早期表达累积程度与植物的抗旱性直接相关；其中，Dhn11基因和Dhn12基因不同的表达模式可能与干旱调控表达顺式作用成分(dehydration responsive element，DRE)的有无或结构上的差异有关。 本研究结果认为，(1)失水率和相对含水量可作为植物抗旱性检测的指标之一；(2)DHN6同义突变位点的氨基酸残基对维持该蛋白的正常结构和功能起着重要作用；(3)11-氨基酸保守基元序列拷贝数和极性氨基酸的比例对LEA3蛋白结构和功能有重要影响；(4)LEA蛋白表达随着干旱胁迫程度而增加，但Dhn11基因并不受干旱诱导表达；(5)作物的抗旱性不同，LEA蛋白对干旱的累积反应并不相同，干旱早期LEA蛋白的累积程度可能会影响植物的抗旱性。

【关键词】：失水率 相对含水量 丙二醛 游离脯氨酸 藏青稞 HVA1基因 Dhn6基因 序列分析 藏青稞 失水变化率 脱水素基因 HVA1基因 荧光定量RT-PCR 藏青稞
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（成都生物研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S512.3
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