【摘要】：多年以來,水稻已經(jīng)成為世界上近乎一半人口的主食,是僅次于玉米的第二大糧食作物。據(jù)估計,到2050年,世界人口將會激增到98億,因此迫切需要增加糧食產(chǎn)量來養(yǎng)活不斷增長的人口。然而,糧食生產(chǎn)面臨諸多挑戰(zhàn),例如有限的耕地、干旱、鹽化、極端溫度以及生物脅迫等。因此,需要培育出能夠耐受現(xiàn)有環(huán)境條件并且保持高產(chǎn)的農(nóng)作物。鹽脅迫是威脅未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然生態(tài)系統(tǒng)的主要非生物脅迫之一。植物在生長初期更容易受到生物和非生物脅迫。在本研究中,我們首先研究了來自肯尼亞的28份水稻樣品幼苗對鹽脅迫的響應(yīng)機制,目的是了解水稻苗期鹽脅迫下的蛋白質(zhì)動力學(xué)。主要結(jié)果如下:1.不同水稻幼苗在500mMNaC1條件下處理,然后將它們分為鹽敏感型、中等鹽敏感型和耐鹽型。2.選擇敏感組(S)和耐鹽組(T)在300mM NaC1條件下分別處理0、1和3天后,從根中提取蛋白質(zhì)并進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析。在耐鹽組和敏感組中分別鑒定到434個和401個可靠的總蛋白。單因素方差分析結(jié)果顯示T和S樣品組中分別有104個和102個顯著表達(dá)的蛋白,其中13個蛋白在兩組中均有表達(dá)。3.本研究鑒定到了參與氧化還原過程、鹽脅迫應(yīng)激反應(yīng)和信號傳導(dǎo)過程的蛋白,它們的表達(dá)在耐鹽樣品和敏感樣品之間存在差異。此外,我們還對水稻種子萌發(fā)進(jìn)行了深入的研究,種子萌發(fā)受內(nèi)源和外源因素共同調(diào)控,是保證以其作為唯一繁殖方式的植物生命延續(xù)的關(guān)鍵過程。水稻種子的高效萌發(fā)是保證秧苗健壯及植株健康發(fā)育的必要條件。α-淀粉酶具有次生碳水化合物結(jié)合位點是主要類型的淀粉酶,是被子植物生長發(fā)育和生命周期中的關(guān)鍵酶。在水稻種子成熟過程中,淀粉酶同工酶是催化淀粉粒形成的關(guān)鍵酶。而在水稻種子萌發(fā)過程中,催化種子內(nèi)貯藏淀粉代謝,為幼苗的生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì),將直接影響植株的生長和田間產(chǎn)量。α-淀粉酶(RAMY1A)在水稻種子萌發(fā)過程中高度表達(dá),其受植物激素(GA和ABA)和多種轉(zhuǎn)錄因子的雙重調(diào)控。之前的研究表明,在種子萌發(fā)48小時內(nèi),RNA和蛋白質(zhì)水平的積累都有所增加。因此,我們對α-淀粉酶進(jìn)行了深入的研究,以了解其在水稻和其它作物中的分類、結(jié)構(gòu)、表達(dá)特性及表達(dá)調(diào)控。1.在10種水稻淀粉酶種,絕大多數(shù)在發(fā)育的種子胚中表達(dá),且在種子萌發(fā)過程中誘導(dǎo)表達(dá)。在水稻種子萌發(fā)過程中,α-淀粉酶基因的表達(dá)在胚胎中受糖負(fù)調(diào)控,而在胚乳中則被赤霉素(GA)通過競爭性地結(jié)合到特定的啟動子區(qū)域而正向調(diào)控,此外該基因還受到一系列非生物或生物因素的控制,如鹽度。2.前期的酵母雙雜實驗已經(jīng)篩選出一個新的轉(zhuǎn)錄因子(OsMybcc-1),其調(diào)控α-淀粉酶的表達(dá)。在本研究中,我們進(jìn)一步探討了該轉(zhuǎn)錄因子對RAMy1A基因的調(diào)控,以及其在水稻種子萌發(fā)和生長過程中發(fā)揮的重要作用。我們篩選出突變體純合體OsMybcc-1,回補OsMybcc-1和構(gòu)建了過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻。3.通過對水稻野生型、OsMybcc-1突變體、OsMybcc-1回補、OsMybcc-1過表達(dá)植株的比較研究,我們發(fā)現(xiàn)OsMybcc-1突變體除了種子萌發(fā)緩慢外,在成熟時表現(xiàn)出半矮化。結(jié)合qRT-PCR結(jié)果,證實該轉(zhuǎn)錄因子參與了赤霉素的響應(yīng)途徑。4.通過對α-淀粉酶活性的定性和定量分析,結(jié)果表明OsMybcc-1轉(zhuǎn)錄因子直接參與α-淀粉酶的調(diào)控表達(dá),轉(zhuǎn)錄因子的突變導(dǎo)致α-淀粉酶活性降低。此外,本研究綜述了 α-淀粉酶在種子萌發(fā)中的研究進(jìn)展,并且反思如何深入研究將可能闡明α-淀粉酶的調(diào)控機制,以及如何將其作為促進(jìn)作物育種的有效的生物標(biāo)志。這些結(jié)果表明轉(zhuǎn)錄因子直接參與促進(jìn)水稻種子萌發(fā)和生長。因此,本研究為種子萌發(fā)和幼苗時期對非生物脅迫的響應(yīng)提供了重要信息。總的來說,通過操縱轉(zhuǎn)錄因子提高參與種子萌發(fā)基因的表達(dá)可以增強種子的萌發(fā),以及從蛋白質(zhì)組動態(tài)研究中鑒定到耐非生物脅迫的基因。這些轉(zhuǎn)基因水稻具有較高的發(fā)芽率、較強的營養(yǎng)生長能力,能夠承受非生物脅迫,最終獲得較高的產(chǎn)量,從而保證了糧食的可持續(xù)生產(chǎn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院武漢植物園)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S511

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本文編號：2675146