本文關(guān)鍵詞：干旱脅迫下西藏野生大麥根毛生長調(diào)控基因HvEXPB7的分離、克隆和功能鑒定

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【摘要】：干旱是限制作物產(chǎn)量的一個重要因素。培育耐旱作物品種提高作物的耐/抗旱能力是作物生產(chǎn)亟需解決的關(guān)鍵問題之一；而發(fā)掘耐旱種質(zhì),明確其耐性機制是培育耐旱作物品種和制訂耐旱栽培措施的基礎(chǔ)。根毛是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官,對植物耐旱性起著重要作用。根毛發(fā)育和生理功能受遺傳制約,也受土壤濕度等環(huán)境條件的影響,迄今已鑒定到若干與擬南芥屬植物根表皮細(xì)胞特化、根毛細(xì)胞分化、根毛初始伸長和頂端生長等相關(guān)的基因。但有關(guān)單子葉植物根毛響應(yīng)干早脅迫時的遺傳基礎(chǔ)和分子調(diào)控機制仍未見報道。青藏高原一年生野生大麥(Hordeum vulgare L. ssp. spontaneum)具有豐富的遺傳多樣性,能為作物品種改良,培育抗逆性(如耐/抗干旱)作物新品種提供優(yōu)異的候選基因。本研究以課題組已篩選到的耐早野生大麥XZ5為材料,在分析研究干旱脅迫對不同耐性基因型大麥根毛生長與轉(zhuǎn)錄組的影響及基因型差異的基礎(chǔ)上,分離克隆干旱脅迫下野生大麥根毛生長調(diào)控基因HvEXPB7,研究西藏野生大麥耐早的分子機理。主要研究結(jié)果如下：1.以高耐干旱的青藏高原一年生野生大麥XZ5為材料,以干旱敏感野生大麥XZ54和國際公認(rèn)耐旱大麥品種Tadmor為對照,水培PEG(聚乙二醇,Polyethylene glycol)模擬干旱脅迫試驗,觀察干旱脅迫對根毛生長的影響及基因型差異,發(fā)現(xiàn)PEG模擬干旱1 d根毛大量脫落,干旱條件下基因型間根毛生長無顯著差異；干旱處理第3和5 d大麥幼苗重新長出根毛,其中抗旱野生大麥XZ5根毛發(fā)生量顯著多于敏感種質(zhì)XZ54及抗旱品種Tadmor;隨著干旱處理時間的延長,只有XZ5具有發(fā)達的根毛表型特征。2.液氮中分離足量三個大麥基因型根毛,利用轉(zhuǎn)錄組測序的方法,比較分析大麥根毛基因表達響應(yīng)干旱脅追的基因型差異。結(jié)果表明,干旱脅迫誘導(dǎo)XZ5根毛中更多的基因表達發(fā)生變化。PEG模擬干旱條件下,XZ5、XZ54和Tadmor根毛中差異表達基因,分別有216、19和77個；鑒定到與XZ5耐旱相關(guān)的差異表達基因36個,其表達表現(xiàn)為干旱脅迫條件下XZ5上調(diào)表達且XZ54下調(diào)/不變,或XZ5表達不變且XZ54下調(diào)表達(干旱v對照)；功能預(yù)測結(jié)果顯示,這些基因主要參與能量代謝、抗氧化脅迫、抗逆脅迫、細(xì)胞壁修飾和根毛生長等生物學(xué)過程。將這些基因在兩個耐旱基因型XZ5和Tadmor中進行比較分析發(fā)現(xiàn),其中16個基因,其響應(yīng)干旱脅迫時的表達在兩基因型間不一致；其中β-expansin基因在XZ5中干旱誘導(dǎo)顯著上調(diào),而在Tadmor中不受干旱誘導(dǎo)。3.采用RACE方法從XZ5中克隆了該β-expansin基因的全長,序列比對表明該基因含有expansin家族基因典型的兩個功能域DPBB_1和Pollon_allerg_1以及一些高度保守的結(jié)構(gòu)域。進化樹分析結(jié)果顯示該基因?qū)儆贓XPB家族成員,并且進化上和水稻OsEXPB7較近,因此將該基因命名為HvEXPB7。比較三個大麥基因型HvEXPB7基因CDS區(qū)和啟動子區(qū)序列顯示,該基因在野生大麥耐旱基因型XZ5中保留了最高的遺傳多態(tài)性和最多的根毛調(diào)控元件RHEs (Root hair specific cis-elements),組織特異性表達分析表明HvEXPB7基因主要在XZ5的根中表達,亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示HvEXPB7蛋白會進入分泌途徑最終定位在細(xì)胞質(zhì)膜上。4.利用BSMV-VIGS (Barley stripe mosaic virus induced gene silencing)方法在XZ5中成功沉默了HvPDS報告基因,首次建立了野生大麥的BSMV-VIGS體系。在干旱和正常生長條件下,BSMV-VIGS誘導(dǎo)HvEXPB7基因沉默植株的根毛長度和數(shù)量都顯著差于對照植株。同時,HvEXPB7基因沉默植株根系干物質(zhì)重和根系K+濃度都顯著低于對照(正常XZ5)；葉面噴施乙烯可以使這種抑制作用得到部分恢復(fù),同時干旱條件下這種恢復(fù)效果更明顯。HvEXPB7基因可以調(diào)控XZ5中根毛的生長,進而影響干旱條件下根系K+吸收以及植株的生長。研究結(jié)果加深了青藏高原一年生野生大麥中特有的耐旱相關(guān)基因及其耐旱分子機制的認(rèn)識,為培育耐旱大麥品種提供了新的基因資源。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S512.3
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本文編號：1172598