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水稻OsHsfAs和OsCH2基因的功能研究

刘爱玲  
【摘要】:水稻是全世界最重要的粮食作物之一。各种非生物逆境(高温、干旱和高盐等)影响水稻的生长发育,是导致水稻减产的重要因素。因此利用基因工程手段发掘水稻非生物胁迫应答过程中关键的调节基因和重要的功能基因,并阐明其分子机制,对提高水稻的抗逆性意义重大。 热激蛋白能提高植物对逆境胁迫的耐受能力,而热激蛋白的表达主要受热激转录因子Hsf的调控。研究表明在拟南芥中过表达p-胡萝卜素羟化酶基因,植株的抗逆性增强。本试验以野生型日本晴为材料,利用半定量RT-PCR对12个OsHsfA基因进行不同组织部位和高温、干旱、PEG、低温4种逆境胁迫响应的表达特征分析,采用过表达和RNAi技术研究热激转录因子基因OsHsfAlα、OsHsfA7以及8-胡萝卜素羟化酶基因OsCH2在水稻生长发育和逆境胁迫响应中的功能。主要结果如下: 1OsHsfAs的表达具有组织特异性,OsHsfAla, A2d和A9在幼穗中的表达丰度较高。大多数OsHsfAs对高温胁迫快速响应,在45min-3h表达水平较高;OsHsfA2a的诱导表达量最高。然而,对高盐、PEG和低温胁迫有响应的OsHsfAs主要在后期(3-24h)表达量上升;并且在低温处理中,多个OsHsfAs基因的表达没有明显变化。 2.OsHsfA7基因的过表达影响水稻的生长发育。OsHsfA7-OE植株变矮、分蘖数减少。扫描电镜观察发现,在OsHsfA7-OE水稻茎的第一节间,柱状细胞数量显著减少,宽度增加。柱状细胞的改变可能与过表达植株矮化有关。另外,OsHsfA7-OE转基因植株的幼根(包括主根和不定根)粗壮、长,侧根短、少;分蘖期的根粗大、稀疏,向四周分布范围广,在不定根上几乎观察不到侧根。对转基因植株进行逆境胁迫后发现,OsHsfA7基因的过表达未提高转基因植株对高温胁迫的耐受力;200 mmol/L盐胁迫处理后发现,OsHsfA7-OE转基因幼苗较野生型WT出现受害症状的时间延迟,存活率提高,而且电导率和MDA含量低于WT。这些表型观察和生理生化指标分析说明转基因提高苗期水稻对盐胁迫的耐受能力;干旱胁迫和复水处理后OsHsfA7-OE转基因与对照WT幼苗表型上有明显差异,表明转基因水稻幼苗提高其对干旱逆境的抗性。而OsHsfA7-RNAi转基因植株对高温、高盐和干旱逆境胁迫未表现出敏感性。 3.构建了OsHsfAla过表达、RNAi抑制和启动子载体,通过农杆菌介导法获得RNAi转基因植株,并从DNA和RNA水平进行验证。OsHsfAla-RNAi转基因植株的结实率明显降低。对OsHsfAla-RNAi转基因植株的花粉进行育性检测和发育过程的石蜡切片观察,发现RNAi植株的花粉育性低,花粉母细胞在单核花粉粒期败育或在单核靠边期停滞发育。另外,OsHsfAla-RNAi转基因植株对高温处理未表现出敏感性。 4. OsCH2基因在水稻不同组织中的表达有差异,在叶中的表达较强,能响应高温高光的胁迫处理。在OsCH2-OE转基因植株的幼叶、茎、穗和种子中均可见颜色的变化;黄斑幼叶的叶绿体退化,对弱光逆境的耐受力差;光合色素总量、叶色值和Fv/Fm降低,光合效率下降。OsCH2-OE转基因水稻的p-胡萝卜素含量下降,叶黄素循环中OsZEP基因的表达上调,有利于玉米黄质转化为紫黄质;而OsVDE基因的表达不变,因此紫黄质含量提高。另外,在转基因植株中ABA合成相关基因aba2表达量上调,OsCH2基因过表达使种子萌发延迟。对OsCH2-OE转基因水稻幼苗进行逆境胁迫处理,结果表明OsCH2基因的过表达未提高其对高温、强光和紫外逆境的耐受力。


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