小麥黃酮醇合成酶基因TaFLS2在植物抗旱和發(fā)育中的作用.pdf

1、干旱等逆境脅迫嚴重影響作物的生長和產(chǎn)量，因此，通過研究作物耐逆機制進而分離耐逆功能基因、培育耐逆作物新品種對緩解環(huán)境惡化、提高作物生產(chǎn)力具有重要意義。植物遭受環(huán)境脅迫時，會激活復雜的信號網(wǎng)絡，引起次生代謝等系統(tǒng)性生理變化，產(chǎn)生應答反應。類黃酮是一種重要的次級代謝物，具有抗氧化性和原氧化性，能調(diào)控體內(nèi)氧化還原平衡，緩解氧化脅迫傷害。類黃酮包括黃酮醇和花青素等六種類型，其中黃酮醇的抗氧化和原氧化性最強;黃酮醇包括槲皮素和山奈酚等六種，它們的

2、抗氧化和原氧化性也存在差異。不同類型的黃酮醇在植物體內(nèi)合成的時空模式具有特異性，行使不同的功能。黃酮醇合成酶(FLS)催化黃酮醇的產(chǎn)生。擬南芥中，共有FLS1～6六個拷貝，而其他類黃酮合成相關酶均為單拷貝。小麥、水稻等單子葉植物中，F(xiàn)LS等類黃酮合成相關酶均為多拷貝，那么黃酮醇合成酶(FLS)不同拷貝之間是否具有催化特異性進而參與不同的生物學過程還不清楚。
　　本實驗室前期通過對小麥漸滲系耐鹽抗旱新品種山融3號(SR3)的轉(zhuǎn)錄組分

3、析，鑒定了兩個旱脅迫下明顯上調(diào)表達的小麥黃酮醇合成酶基因TaFLS1和TaFLS2,對TaFLS1的抗旱功能及機制進行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)TaFLS1主要通過促進氣孔關閉調(diào)高植物的抗旱性，不影響植物的發(fā)育;而TaFLS2過表達不僅能提高植物抗旱性，還影響了植物的發(fā)育過程。本論文在前期研究的基礎上，系統(tǒng)分析了TaFLS2在植物抗旱中的可能作用機制，并初步研究了它在發(fā)育中的作用，發(fā)現(xiàn)它與TaFLS1的異同。研究結(jié)果為深入研究FLS家族基因的

4、功能特異性及其作用機制奠定了基礎。
　　1.TaFLS2提高抗旱性的作用基礎
　　利用前期獲得的TaFLS2過表達擬南芥株系(OE)，分析了TaFLS2的體內(nèi)酶活性。與野生型相比，OE幼苗植株中兩種重要的黃酮醇——槲皮素和山奈酚——的含量均明顯提高，保衛(wèi)細胞中黃酮醇明顯富集，表明TaFLS2具有體內(nèi)酶活性，其過表達促進了黃酮醇的合成。但是與TaFLS1過表達使動態(tài)平衡從花青素分支轉(zhuǎn)向黃酮醇分支導致花青素含量降低不同，TaFL

5、S2過表達提高了總黃酮和花青素的合成能力，表明TaFLS2過表達導致的黃酮醇富集對類黃酮合成通路的反饋調(diào)控特征與TaFLS1存在差異。
　　然后，進一步研究TaFLS2抗旱的水份生理基礎。外源甘露醇處理模擬滲透脅迫時，OE株系生長狀況更好，側(cè)根數(shù)目更多;正常和干旱條件下，OE株系中可溶性糖含量明顯提高;野生型和OE株系離體葉片的失水率無明顯差異。結(jié)果表明，TaFLS2過表達提高抗旱性與提高滲透脅迫抗性增強水份吸收能力、合成滲透調(diào)節(jié)

6、物質(zhì)及增強水分保持能力相關。與野生型相比，OE株系氣孔密度增加，干旱條件下氣孔開度變小，說明TaFLS2過表達影響了氣孔的運動和發(fā)育，這兩個改變在葉片蒸騰效率上的相反作用，導致葉片失水率沒有變化。前期結(jié)果顯示，雖然TaFLS1過表達系在干旱條件下氣孔開度更小，但與TaFLS2不同，正常條件下氣孔開度更大，氣孔密度無變化。
　　前期結(jié)果顯示TaFLS1提高抗旱性還與促進ABA通路及ROS合成和清除酶活性相關。本研究發(fā)現(xiàn)，與TaFLS

7、1不同，TaFLS2過表達植株的ABA敏感性、ABA合成及其介導的信號通路相關基因的表達均無變化，但是不依賴ABA的RD29A的表達量明顯提高。與TaFLS1相似，TaFLS2過表達植株對H2O2的抗性明顯增強，ROS水平提高，ROS合成和清除相關酶活性及其編碼基因的表達明顯增強。
　　2.TaFLS2參與調(diào)控植物的生長發(fā)育
　　有研究表明，黃酮醇能夠通過抑制生長素的運輸參與植物發(fā)育過程。我們發(fā)現(xiàn)，除了增加氣孔數(shù)目，OE株系

8、還出現(xiàn)了葉片卷曲、葉片缺刻和表皮毛增多等與生長素相關的表型。OE株系幼苗比野生型大;NAA處理，OE植株無明顯變化，野生型變大并與OE株系相似，說明了TaFLS2過表達造成的黃酮醇富集影響了生長素響應。
　　綜上所述，TaFLS2過表達一方面通過對水份生理和氧化還原平衡的調(diào)節(jié)提高抗旱性，另一方面通過響應生長素影響植物發(fā)育。結(jié)合前期TaFLS1結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)不同F(xiàn)LS基因間的生物學功能存在差異，這種差異可能與他們的催化特異性及其對類