光敏色素B调控水稻干旱胁迫耐性的机理研究

摘要

对高等植物而言，光不仅是光合作用的能量来源，也是调节植物生长发育最基本的信号。高等植物利用光敏色素(phytochrome，phy)感受红光/远红光，参与调节植物从种子萌发到果实成熟的多个发育过程。水稻光敏色素基因家族包括3个成员，PHYA、PHYB和PHYC。在对水稻光敏色素突变体的研究中，我们发现水稻 phyB缺陷型突变体(phyB)具有较强的干旱胁迫耐性，因此可被用做一种重要的、耐旱新种质资源。
　　本研究用phyB突变体和野生型水稻作为研究材料，围绕根系水分吸收能力和地上部分水分散失两个方面，在生理学和分子生物学水平上分析了与水稻干旱胁迫耐性相关的生理变化和相关基因，旨在揭示水稻 phyB调控植物干旱胁迫耐性的机制。主要结果如下:
　　1.水稻 phyB突变体具有较强的干旱胁迫耐性将在正常条件下生长的水稻野生型和phyB突变体(六叶期)停止浇水13天，发现大部分野生型水稻叶片萎蔫，而 phyB突变体叶片仍保持展开。停止浇水16天后复水12天，45.7％的野生型水稻恢复生长，而90％的phyB突变体恢复生长。这说明 phyB突变体具有较强的干旱胁迫耐性。采用15％PEG溶液处理野生型和phyB突变体1～5天，发现 phyB突变体在正常和干旱胁迫条件下的脯氨酸和可溶性糖含量均高于野生型，说明 phyB突变体具有较高的渗透调节能力。
　　2. phyB突变体与野生型植株的根系没有明显差异将水稻野生型和phyB突变体种子根部避光在0.5％的琼脂培养基中培养至两叶期。结果显示，phyB突变体的主根长度明显大于野生型，而根/冠比无显著差别。当野生型和phyB突变体根部避光在蛭石中培养至六叶期时，野生型和phyB突变体的根长也无显著差别。利用根系分析仪进一步测定发现，野生型和phyB突变体的根系长度、表面积以及直径也均没有显著性差异。这说明根系生长及表面积不是影响 phyB突变体较强干旱胁迫耐性的主要因素。
　　3.phyB突变体表现出较低的失水速率和蒸腾速率比较野生型和3个不同 phyB等位基因突变体(phyB1，phyB2，phyB5)离体叶片的失水速率。结果表明，phyB突变体的失水速率明显小于野生型。进一步利用美国便携式光合仪(LI-COR LI-6400)在强制光源(1500μmol m-2s-1)下测定野生型和phyB突变体的光合速率、气孔导度、蒸腾速率，发现 phyB突变体的光合速率、气孔导度、蒸腾速率均低于野生型，而水分利用率在phyB突变体和野生型之间没有显著差异。此外我们还发现 phyB突变体植株的总叶面积明显小于野生型。这些结果说明，在同样生长条件下，与野生型相比 phyB突变体就可能具有较低的蒸腾量。这些特征可能是决定 phyB突变体具有较强干旱胁迫耐性的关键因素。
　　4.phyB正调控气孔密度通过印迹法比较了野生型和phyB突变体六叶期发育完全的第三叶、第四叶和第五叶的气孔数目和大小。结果表明，phyB突变体单位面积上的气孔数目和气孔器长度均显著小于野生型。气孔密度的降低将减少植物与外界环境之间水分或二氧化碳的交换，导致光合速率和蒸腾速率降低、失水速率降低。
　　5. phyB负调控气孔发育相关基因 ERECTA的表达为了分析 phyB调控气孔密度的分子机制，我们利用实时荧光定量 PCR分析了水稻气孔发育相关基因在野生型和phyB突变体中的表达模式。结果表明，无论在水稻幼苗时期的分生组织和叶原基(种子萌发2天和4天)，还是六叶期植株的成熟叶，ERECTA(ER)家族基因(分别命名为ER、ER1/2和ERL)在phyB突变体中的表达量均显著高于野生型。已有报道表明，ERECTA基因负调控拟南芥气孔发育。据此推测，phyB可能通过负调控ER基因的表达而影响水稻叶片气孔密度。
　　6.ERECTA基因负调节转基因烟草叶片的水分蒸腾为了进一步研究ERECTA基因对水分代谢的影响，我们构建了植物过量表达载体pCAMBIA1390-Ubi-OsERL，转化烟草。结果发现，当停止浇水18天时，野生型植株的叶片出现萎蔫，颜色较黄，而转基因株系仍可以维持一定膨压；各转基因株系植株离体叶片的失水速率显著低于野生型；通过便携式光合仪(LI-COR LI-6400)在强制光源(1500μmol m-2s-1)下测定野生型和转基因烟草植株的光合速率、气孔导度和蒸腾速率，发现野生型和转基因株系植株的光合速率没有显著差异，而转基因株系植株的蒸腾速率低于野生型，水分利用率高于野生型。以上说明，OsERL基因的过量表达可能通过降低植株的失水速率和蒸腾速率来调节植株的耐旱性。观测野生型和转基因烟草植株第六片完全展开叶中段位置上的气孔分布，结果表明各转基因株系植株单位面积上的气孔数目均少于野生型，表皮细胞明显大于野生型，而气孔发育形态没有明显差异。这些结果表明，水稻 ERL基因在烟草中表达引起表皮细胞增大，从而导致气孔密度减小、失水速率和蒸腾速率降低。
　　7.phyB介导的红光信号抑制 ERECTA基因的表达phyB是如何影响 ERECTA基因的表达呢?利用荧光定量 PCR，我们比较了野生型和phyB突变体在黑暗和红光条件下的基因表达水平。结果表明，在野生型中，ERECTA基因在红光下的表达水平低于黑暗条件下的水平，这表明红光抑制 ERECTA基因的表达。然而在phyB突变体中，红光对ERECTA基因的抑制效果明显减弱。据此推测 phyB感受红光抑制 ERECTA基因的表达。
　　8。phyB突变体的耐旱性与ABA途径有关ABA是一种重要的胁迫激素。为了分析 phyB突变体较强的干旱胁迫耐性是否与 ABA途径有关，我们利用种子萌发实验比较了野生型和phyB突变体对外源 ABA的敏感性。结果表明，phyB突变体对ABA更为敏感。利用实时荧光定量 PCR，我们比较了ABA代谢相关基因在野生型和phyB突变体中的表达水平。结果表明，ABA合成基因在phyB突变体中的表达水平高于野生型，而降解基因低于野生型。据此推测，phyB负调控 ABA合成基因的表达，正调控 ABA降解基因的表达。
　　我们比较了野生型和phyB突变体干旱处理不同时间后的基因表达图谱，并通过半定量 PCR进一步验证其中与 ABA途径相关基因的表达模式。结果表明，多个 ABA途径调控的、与干旱胁迫耐性相关的基因如脱水素基因、蛋白磷酸酶基因、bZIP基因和胁迫诱导基因等，在phyB突变体中的表达显著高于野生型，据此推测 ABA依赖途径与 phyB突变体较强的干旱胁迫耐性有关。
　　总之，本实验通过研究正常和干旱胁迫条件下，水稻 phyB突变体与野生型的相关生理指标、气孔发育相关基因表达及功能、以及ABA途径相关基因的表达模式探讨光敏色素参与耐旱的机理。我们初步认为，一方面，phyB负调控 ERECTA基因的表达，影响单位面积气孔数目，导致蒸腾速率降低；另一方面，phyB通过影响 ABA代谢基因和ABA信号途径基因的表达而负调控水稻对ABA依赖的胁迫途径，从而影响 ABA依赖的干旱胁迫耐性。这些因素共同决定着 phyB突变体具有较强的干旱胁迫耐性。

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中文摘要

英文摘要

英文缩写符号及中英文对照表

第一部分 文献综述

1 植物耐旱性反应的机制

2 光信号影响植物干旱胁迫反应

3 光敏色素所介导的光信号转导及其在植物生长发育中的作用

4 论文选题的目的及意义

第二部分 实验论文

第一章 光敏色素 B 介导的光信号对水稻干旱胁迫耐性的影响

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

第二章 气孔发育相关基因在水稻 phyB 突变体中的表达

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

第三章 ABA 途径与水稻 phyB 突变体耐旱性的相关性分析

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

第三部分 总 结

参考文献

附 录

攻读博士学位期间整理发表的论文

致谢