Low silicon rice gene 1调节水稻抗UV-B辐射的机制研究

摘要

硅是地壳中含量第二丰富的矿质元素,同时也是植物生长发育过程中的有益矿质元素,其能够提高植物对生物和非生物胁迫的抗性。水稻是吸收硅较多的作物之一,硅能够促进水稻高产、稳产,提高水稻抗病、抗虫、抗干旱、抗倒伏等特性。本研究发现,自然光照条件下,缺硅培养的UV-B抗性水稻Lemont叶片的苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammonia lyase,PAL)和光裂解酶(Photolyase)基因的表达以及总酚、类黄酮的含量都低于正常硅营养条件下的Lemont水稻;UV-B辐射下,上述指标在两种硅营养处理的Lemont水稻中都增加或增强,但缺硅培养的水稻仍显著低于正常硅营养条件下的水稻,此结果暗示硅能够调节水稻抗UV-B辐射能力。水稻吸收硅是以根系Low,silicon rice genel(Lsil)编码的类NOD26通道蛋白为转运载体,因此水稻根系吸收硅能力与Lsil基因的表达丰度有关。
　　 据此,进一步克隆了水稻的Lsil基因,运用RNA干扰(RNA interference,RNAi)和基因过量表达(Overexpression)技术,分别抑制和增强水稻根系Lsil基因的表达,获得LsilRNAi和Lsil overexpression的转基因Lemont水稻,结果表明LsilRNAi转基因Lemont水稻的根系吸收硅能力和叶片硅含量均显著降低,而Lsil overexpression的转基因Lemont水稻则显著增加;进一步以野生型Lemont水稻为对照材料,研究Lsil对水稻抗UV-B辐射的调节机制。研究结果表明,正常硅营养条件下,抑制水稻Lsil基因表达,其叶片PAL、photolyase基因表达下调,总酚、类黄酮含量降低,此结果与缺硅培养下的野生型植株相似;过量表达Lsil基因,水稻叶片PAL、photolyase基因则增强表达,总酚、总黄酮的含量显著增加。UV-B辐射下,Lsil overexpression的转基因水稻叶片PAL、photolyase基因表达、总酚、类黄酮仍高于相同处理下的野生型植株,LsilRNAi转基因水稻则相反。进一步以Lsil overexpression的转基因Dular(UV-B敏感型)水稻为材料,运用SSH分别分析UV-B辐射下不同转基因水稻较各自野生型植株的差异表达基因,结果显示,UV-B辐射下,LsilRNAi转基因水稻中的逆境响应、系统解毒、光合作用、次生代谢、细胞生长、分子修复、信号转导等相关基因较相同处理条件下的野生型植株均下调表达,而这些基因在Lsil过量表达的转基因水稻中的表达都高于野生型植株。此结果初步揭示了Lsil基因调节水稻抗UV-B辐射的分子作用网络,为运用分子栽培技术提高培育抗UN-B辐射水稻提供理论依据。