【摘要】：玉米(Zea mays L.)是對(duì)溫度比較敏感的短日照作物。低溫環(huán)境會(huì)不同程度影響玉米的產(chǎn)量與品質(zhì),尤其是玉米的幼苗期對(duì)低溫更加敏感。ASR(abscisic acid,stress,ripening-induced)基因是從植物體中發(fā)現(xiàn)的受ABA、脅迫和成熟誘導(dǎo)表達(dá)的一類基因,具有保守的ABA/WDS結(jié)構(gòu)域,ASR不僅是滲透調(diào)節(jié)蛋白,防御其他蛋白類物質(zhì)免受損傷,也是一種轉(zhuǎn)錄因子,能夠調(diào)控相應(yīng)的非生物脅迫響應(yīng)基因的表達(dá),在植物響應(yīng)生物脅迫和非生物脅迫中具有主要作用。目前,在多種植物中已經(jīng)克隆得到ASR基因,但這些ASR基因響應(yīng)逆境的類型、程度存在很大差異。有關(guān)玉米ASR1的抗低溫研究,國內(nèi)外尚未見報(bào)道,且ASR1在玉米抗冷過程中的功能表達(dá)尚不清楚。因此,開展玉米ASR1基因響應(yīng)低溫脅迫機(jī)制的研究,為解析ZmASR1抗逆調(diào)控機(jī)制研究基礎(chǔ),對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上通過遺傳改良提高玉米耐低溫能力具有重要意義。試驗(yàn)于2014-2017年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院玉米栽培生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,以玉米品種“鄭單958”、耐低溫型玉米自交系鄭58、低溫敏感型玉米自交系昌7-2為供試品種。試驗(yàn)開展前期通過在NCBI上比對(duì)了7個(gè)序列相似、功能未知的玉米基因序列,對(duì)鄭單958三葉期幼苗進(jìn)行低溫脅迫處理,應(yīng)用qPCR技術(shù)分析7個(gè)候選基因在低溫誘導(dǎo)下的表達(dá)模式,篩選出3個(gè)表達(dá)量較高基因,之后以耐低溫型玉米自交系鄭58,低溫敏感型玉米自交系昌7-2為試驗(yàn)材料,分別在低溫脅迫、外源ABA處理、ABA+低溫脅迫條件下,分析3個(gè)基因在玉米幼苗根、莖、葉片組織中的表達(dá)模式,篩選出表達(dá)量相對(duì)較高、表達(dá)穩(wěn)定的候選基因ZmASR1,采用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法以哥倫比亞生態(tài)型擬南芥(Clo-0),和低溫敏感型玉米自交系昌7-2為轉(zhuǎn)化材料,獲得了擬南芥和玉米ZmASR1超表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株,并在不同逆境脅迫處理下鑒定了其功能,主要研究結(jié)果如下:(1)在低溫、ABA、ABA+低溫處理下,ZmASR1在不同低溫類型玉米幼苗材料中表達(dá)量不同,在不同組織中表達(dá)量也存在差異。耐低溫玉米自交系鄭58(Z58)中ZmASR1表達(dá)量高于低溫敏感型昌7-2(C7-2),ZmASR1表達(dá)量在根、莖、葉片中都表現(xiàn)為上調(diào),表達(dá)量葉片根莖;低溫脅迫下,玉米幼苗根部ZmASR1表達(dá)量在48 h達(dá)到最大值,莖和葉片中24 h達(dá)到最大值,莖和葉片優(yōu)先表達(dá);ABA誘導(dǎo)下,ZmASR1在幼苗根部先開始表達(dá)。ABA與低溫互作對(duì)ZmASR1表達(dá)量的正調(diào)控作用與單獨(dú)ABA處理無顯著差異,未表現(xiàn)出疊加效應(yīng),但大于單獨(dú)低溫處理,ZmASR1在低溫脅迫下的表達(dá)一定程度上依賴于ABA調(diào)控(2)ZmASR1過表達(dá)增強(qiáng)玉米幼苗的抗冷性。在低溫脅迫下,ZmASR1-OE轉(zhuǎn)基因玉米幼苗較野生型表現(xiàn)出較強(qiáng)的光合作用能力,PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、光合速率(Pn)、SPAD值高于野生型;也表現(xiàn)出較高的保護(hù)酶系統(tǒng)活性,SOD、POD和CAT活性高于野生型;還表現(xiàn)出較低的細(xì)胞膜損傷和膜脂過氧化程度,MDA、脯氨酸含量高于野生型,相對(duì)電導(dǎo)率低于野生型。(3)ZmASR1轉(zhuǎn)化擬南芥提高了擬南芥植株的抗冷性。在低溫脅迫下,ZmASR1擬南芥轉(zhuǎn)基因植株與野生型相比表型出較高的葉綠素含量,較低的電導(dǎo)率和脯氨酸含量,與野生型相比具有較高的抗低溫能力。(4)噴施外源ABA,提高了玉米幼苗內(nèi)源ABA含量,ZmASR1-OE轉(zhuǎn)基因幼苗ABA含量高于野生型,ZmASR1過表達(dá)對(duì)植物體內(nèi)ABA的合成起到正向調(diào)控作用。ABA/GA、ABA/IAA比值高于野生型,ZmASR1-OE轉(zhuǎn)基因幼苗與野生型相比,內(nèi)源激素的改變增強(qiáng)了植株耐低溫能力。(5)ZmASR1的過表達(dá)使擬南芥表現(xiàn)出了對(duì)ABA的敏感效應(yīng)。在萌發(fā)階段ZmASR1擬南芥過表達(dá)轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)出對(duì)ABA脅迫的高度敏感性,ABA抑制種子萌發(fā);并且在苗期蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度也比野生型擬南芥低,并隨著ABA濃度的增加而降低,說明ZmASR1的過表達(dá)使擬南芥表現(xiàn)出了對(duì)ABA的敏感效應(yīng)。(6)ZmASR1正向調(diào)節(jié)脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)ZmASR1基因擬南芥植株中干旱誘導(dǎo)基因RD29B,冷響應(yīng)基因COR15A和RD29A,鹽和水份脅迫誘導(dǎo)基因RD22,ROS清除相關(guān)酶類基因CAT3表達(dá)量上調(diào),ZmASR1-OE轉(zhuǎn)基因玉米幼苗中抗氧化防護(hù)基因SOD4、CAT1、cAPX表達(dá)量上調(diào),表明ZmASR1通過正向調(diào)控脅迫相關(guān)基因的表達(dá)增強(qiáng)植株的抗逆性。
【圖文】：

圖 1-1 冷害對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷[12]Fig. 1-1 Damage of cell membrane system by chilling injury米冷害分為障礙型冷害、延遲型冷害和混合型冷害。障礙型冷短期的低溫，導(dǎo)致玉米不能正常成熟；延遲型冷害是指在玉米，使得玉米的生育進(jìn)程延緩，導(dǎo)致玉米在霜凍前不能成熟，造指同一年度或一個(gè)生長季節(jié)內(nèi)同時(shí)遭受延遲型與障礙型兩種冷，甚至不能正常生長[16]。玉米苗期遭遇低溫，葉片不能進(jìn)行光含量下降，導(dǎo)致 SPAD 值下降，葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰

圖 1-2 低溫脅迫下相關(guān)基因傳導(dǎo)途徑[56]Fig. 1-2 Gene transduction pathways under low temperature stress3 玉米中抗冷性相關(guān)基因前已有很多關(guān)于玉米抗冷基因的研究報(bào)道，例如，將抗冷基因 ZmRLK、Zm1 轉(zhuǎn)化到擬南芥中，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因株系對(duì)低溫的耐受能力增強(qiáng)[57-59]。有些調(diào)節(jié)玉米的耐冷性，將玉米中受低溫脅迫誘導(dǎo)基因 ZmRanBP1 轉(zhuǎn)化到擬南芥，突變體在低溫脅迫和鹽脅迫下發(fā)芽率顯著高于野生型，推測 ZmRanBP1 基節(jié)玉米耐低溫和鹽脅迫的能力[60]。溫脅迫往往加速植物的衰老，有研究表明，，低溫誘導(dǎo)玉米中 ZmCDPK1 基因PK1 基因可以誘導(dǎo)玉米活化蛋白激酶（MAPK）的增加，且 MAPK 可以加速程，表明低溫脅迫可以加速植物細(xì)胞的衰老和死亡[61,62]。低溫脅迫也會(huì)加速化過程，促進(jìn)植株衰老。有研究表明，NPK1 基因過表達(dá)可以增強(qiáng)玉米抵御力[63]。參與編碼過氧化氫酶的基因 CAT3 基因?qū)儆诘蜏卣T導(dǎo)，說明了玉米在時(shí) ROS 防御系統(tǒng)起到重要的作用[64]。米中一些低溫誘導(dǎo)表達(dá)基因依賴于 ABA 信號(hào)傳導(dǎo)，同時(shí)也受干旱和鹽堿等于依賴于 ABA 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，比如 ZmDBF 和 ZmDREB2A[65-67]。玉米中一達(dá)基因不依賴于 ABA 的信號(hào)傳導(dǎo)，比如 ZmDREB1A 受低溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S513

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7 孫玉s

本文編號(hào)：2681947