【摘要】：玉米(Zea mays L.)是對溫度比較敏感的短日照作物。低溫環(huán)境會不同程度影響玉米的產量與品質,尤其是玉米的幼苗期對低溫更加敏感。ASR(abscisic acid,stress,ripening-induced)基因是從植物體中發(fā)現的受ABA、脅迫和成熟誘導表達的一類基因,具有保守的ABA/WDS結構域,ASR不僅是滲透調節(jié)蛋白,防御其他蛋白類物質免受損傷,也是一種轉錄因子,能夠調控相應的非生物脅迫響應基因的表達,在植物響應生物脅迫和非生物脅迫中具有主要作用。目前,在多種植物中已經克隆得到ASR基因,但這些ASR基因響應逆境的類型、程度存在很大差異。有關玉米ASR1的抗低溫研究,國內外尚未見報道,且ASR1在玉米抗冷過程中的功能表達尚不清楚。因此,開展玉米ASR1基因響應低溫脅迫機制的研究,為解析ZmASR1抗逆調控機制研究基礎,對農業(yè)生產上通過遺傳改良提高玉米耐低溫能力具有重要意義。試驗于2014-2017年在東北農業(yè)大學農學院玉米栽培生理實驗室進行,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。試驗開展前期通過在NCBI上比對了7個序列相似、功能未知的玉米基因序列,對鄭單958三葉期幼苗進行低溫脅迫處理,應用qPCR技術分析7個候選基因在低溫誘導下的表達模式,篩選出3個表達量較高基因,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個基因在玉米幼苗根、莖、葉片組織中的表達模式,篩選出表達量相對較高、表達穩(wěn)定的候選基因ZmASR1,采用農桿菌轉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為轉化材料,獲得了擬南芥和玉米ZmASR1超表達轉基因植株,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量不同,在不同組織中表達量也存在差異。耐低溫玉米自交系鄭58(Z58)中ZmASR1表達量高于低溫敏感型昌7-2(C7-2),ZmASR1表達量在根、莖、葉片中都表現為上調,表達量葉片根莖;低溫脅迫下,玉米幼苗根部ZmASR1表達量在48 h達到最大值,莖和葉片中24 h達到最大值,莖和葉片優(yōu)先表達;ABA誘導下,ZmASR1在幼苗根部先開始表達。ABA與低溫互作對ZmASR1表達量的正調控作用與單獨ABA處理無顯著差異,未表現出疊加效應,但大于單獨低溫處理,ZmASR1在低溫脅迫下的表達一定程度上依賴于ABA調控(2)ZmASR1過表達增強玉米幼苗的抗冷性。在低溫脅迫下,ZmASR1-OE轉基因玉米幼苗較野生型表現出較強的光合作用能力,PSⅡ最大光能轉換效率(Fv/Fm)、光合速率(Pn)、SPAD值高于野生型;也表現出較高的保護酶系統(tǒng)活性,SOD、POD和CAT活性高于野生型;還表現出較低的細胞膜損傷和膜脂過氧化程度,MDA、脯氨酸含量高于野生型,相對電導率低于野生型。(3)ZmASR1轉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,提高了玉米幼苗內源ABA含量,ZmASR1-OE轉基因幼苗ABA含量高于野生型,ZmASR1過表達對植物體內ABA的合成起到正向調控作用。ABA/GA、ABA/IAA比值高于野生型,ZmASR1-OE轉基因幼苗與野生型相比,內源激素的改變增強了植株耐低溫能力。(5)ZmASR1的過表達使擬南芥表現出了對ABA的敏感效應。在萌發(fā)階段ZmASR1擬南芥過表達轉基因株系表現出對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的過表達使擬南芥表現出了對ABA的敏感效應。(6)ZmASR1正向調節(jié)脅迫相關基因的表達。轉ZmASR1基因擬南芥植株中干旱誘導基因RD29B,冷響應基因COR15A和RD29A,鹽和水份脅迫誘導基因RD22,ROS清除相關酶類基因CAT3表達量上調,ZmASR1-OE轉基因玉米幼苗中抗氧化防護基因SOD4、CAT1、cAPX表達量上調,表明ZmASR1通過正向調控脅迫相關基因的表達增強植株的抗逆性。
【圖文】：

圖 1-1 冷害對細胞膜系統(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，使得玉米的生育進程延緩，導致玉米在霜凍前不能成熟，造指同一年度或一個生長季節(jié)內同時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，葉片不能進行光含量下降，導致 SPAD 值下降，葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰

圖 1-2 低溫脅迫下相關基因傳導途徑[56]Fig. 1-2 Gene transduction pathways under low temperature stress3 玉米中抗冷性相關基因前已有很多關于玉米抗冷基因的研究報道，例如，將抗冷基因 ZmRLK、Zm1 轉化到擬南芥中，結果表明轉基因株系對低溫的耐受能力增強[57-59]。有些調節(jié)玉米的耐冷性，將玉米中受低溫脅迫誘導基因 ZmRanBP1 轉化到擬南芥，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，，低溫誘導玉米中 ZmCDPK1 基因PK1 基因可以誘導玉米活化蛋白激酶（MAPK）的增加，且 MAPK 可以加速程，表明低溫脅迫可以加速植物細胞的衰老和死亡[61,62]。低溫脅迫也會加速化過程，促進植株衰老。有研究表明，NPK1 基因過表達可以增強玉米抵御力[63]。參與編碼過氧化氫酶的基因 CAT3 基因屬于低溫誘導，說明了玉米在時 ROS 防御系統(tǒng)起到重要的作用[64]。米中一些低溫誘導表達基因依賴于 ABA 信號傳導，同時也受干旱和鹽堿等于依賴于 ABA 的信號轉導途徑，比如 ZmDBF 和 ZmDREB2A[65-67]。玉米中一達基因不依賴于 ABA 的信號傳導，比如 ZmDREB1A 受低溫脅迫誘導表達，
【學位授予單位】：東北農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S513

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本文編號：2681947