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(yán)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(jìn)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(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，引起次生代謝等系統(tǒng)性生理變化，產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)。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(guān)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(guān)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(jìn)而參與不同的生物學(xué)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(dá)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(jìn)行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)TaFLS1主要通過促進(jìn)氣孔關(guān)閉調(diào)高植物的抗旱性，不影響植物的發(fā)育;而TaFLS2過表達(dá)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(chǔ)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(chǔ)。
　　1.TaFLS2提高抗旱性的作用基礎(chǔ)
　　利用前期獲得的TaFLS2過表達(dá)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(xì)胞中黃酮醇明顯富集，表明TaFLS2具有體內(nèi)酶活性，其過表達(dá)促進(jìn)了黃酮醇的合成。但是與TaFLS1過表達(dá)使動態(tài)平衡從花青素分支轉(zhuǎn)向黃酮醇分支導(dǎo)致花青素含量降低不同，TaFL

5、S2過表達(dá)提高了總黃酮和花青素的合成能力，表明TaFLS2過表達(dá)導(dǎo)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(jìn)一步研究TaFLS2抗旱的水份生理基礎(chǔ)。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(dá)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(guān)。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(dá)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(dǎo)致葉片失水率沒有變化。前期結(jié)果顯示，雖然TaFLS1過表達(dá)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(jìn)ABA通路及ROS合成和清除酶活性相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，與TaFLS

7、1不同，TaFLS2過表達(dá)植株的ABA敏感性、ABA合成及其介導(dǎo)的信號通路相關(guān)基因的表達(dá)均無變化，但是不依賴ABA的RD29A的表達(dá)量明顯提高。與TaFLS1相似，TaFLS2過表達(dá)植株對H2O2的抗性明顯增強，ROS水平提高，ROS合成和清除相關(guān)酶活性及其編碼基因的表達(dá)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(guān)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(dá)造成的黃酮醇富集影響了生長素響應(yīng)。
　　綜上所述，TaFLS2過表達(dá)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(yīng)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(xué)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