高溫對(duì)水稻花器傷害和籽粒品質(zhì)影響的相關(guān)碳氮代謝機(jī)理.pdf

1、在水稻整個(gè)生育期中，孕穗、抽穗揚(yáng)花期和灌漿期是最容易遭受高溫脅迫影響的時(shí)期，導(dǎo)致水稻結(jié)實(shí)率大幅度降低，稻米食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)下降(Fitzgerald et al，2009)，本研究在前期對(duì)水稻品種耐熱性篩選的基礎(chǔ)上，以溫度敏感度不同的水稻基因型為材料，通過(guò)人工氣候箱控溫實(shí)驗(yàn)，探析了高溫脅迫對(duì)水稻花器傷害、結(jié)實(shí)特性和稻米品質(zhì)影響的碳氮代謝特征及其分子生態(tài)基礎(chǔ)，并以蛋白二硫異構(gòu)酶(PDI)基因沉默和超表達(dá)水稻為材料，對(duì)PDI基因表達(dá)與水稻

2、高溫花粉育性變化間的關(guān)系進(jìn)行了研究分析。主要研究結(jié)果如下:
　　1、水稻在減數(shù)分裂期和小孢子發(fā)育期遭遇高溫均會(huì)使其結(jié)實(shí)率和花粉育性產(chǎn)生明顯下降，其中減數(shù)分裂期高溫對(duì)花粉育性和結(jié)實(shí)率的危害程度要大于小孢子發(fā)育期。高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致花藥中的糖轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程受阻、單糖（果糖、葡萄糖）積累量增加，蔗糖和淀粉積累量顯著減少?；蛐酒蜔晒舛縋CR結(jié)果表明減數(shù)分裂期高溫加速了水稻花藥中蔗糖的運(yùn)輸裂解過(guò)程，其中蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因CIN1對(duì)溫度的敏感程度顯著

3、大于蔗糖合成酶類基因(SUS4、SUS5、SUS6)。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體基因SUT3和CIN1在減數(shù)分裂期高溫脅迫下呈顯著上調(diào)表達(dá)，可能與水稻花器官響應(yīng)高溫脅迫的蔗糖信號(hào)代謝存在較密切聯(lián)系。單糖轉(zhuǎn)運(yùn)體基因MST8表達(dá)量顯著下調(diào)可能是導(dǎo)致單糖不能及時(shí)從花藥運(yùn)輸?shù)交ǚ壑?，從而引起花藥組織中單糖積累，花粉淀粉缺失而敗育的重要原因。
　　2、9311高直鏈淀粉突變體9311eha的Wx基因前導(dǎo)內(nèi)含子區(qū)域有一個(gè)T到G的突變，導(dǎo)致其前導(dǎo)內(nèi)含子5'剪切

4、位點(diǎn)的堿基序列從AGTTATA變成AGGTATA，引起9311eha中GBSS酶活性、Wx基因轉(zhuǎn)錄水平和剪切效率增加，從而導(dǎo)致其表觀直鏈淀粉(AAC)和實(shí)際的直鏈淀粉(HWS)含量高于其野生對(duì)照9311的2倍左右。酶活分析表明Wx基因突變并未對(duì)水稻灌漿籽粒中淀粉合成代謝其他關(guān)鍵酶的活性及其溫度響應(yīng)模式產(chǎn)生明顯影響。高溫處理對(duì)9311eha發(fā)育胚乳中Wx基因的mRNA轉(zhuǎn)錄表達(dá)和GBSS酶活性有較明顯的影響，但9311eha突變體的AAC和

5、HWS在不同溫度處理下的變化不大，揭示溫度處理對(duì)稻米直鏈淀粉含量的影響效應(yīng)并不完全是由Wx mRNA剪切方式和剪切效率所決定。一方面依賴于不同品種中Wx基因mRNA轉(zhuǎn)錄水平和GBSS酶活的時(shí)期特異性;另一方面高溫脅迫下GBSS1(Wx基因)在9311eha發(fā)育胚乳中的下調(diào)表達(dá)，通常與SSSIIa和SBEIIb的下調(diào)表達(dá)相伴隨，SSSIIa和SBEIIb的表達(dá)量下降可能對(duì)其高溫脅迫下的直鏈淀粉合成起一定程度的“補(bǔ)償”作用。此外，高溫處理顯

6、著增加了9311eha和9311胚乳中中長(zhǎng)支鏈淀粉和大淀粉顆粒比例，從而導(dǎo)致糊化溫度增加。
　　3、精米、糙米和糊粉層中總蛋白含量在灌漿期高溫處理下均顯著增加，其中谷蛋白含量在高溫處理下顯著上升，而醇溶蛋白含量顯著下降，導(dǎo)致谷醇比在高溫脅迫下顯著上升。SDS-PAGE結(jié)果表明高溫脅迫導(dǎo)致水稻籽粒中谷蛋白前體(Pro-glutelin)、谷蛋白酸性亞基(α-glutelin)和堿性亞基(β-glutelin)含量在整個(gè)灌漿期顯著升高

7、;而13 KDa醇溶蛋白亞基組分含量在灌漿前期顯著增加，而在灌漿后期顯著下降。半定量PCR結(jié)果表明，高溫脅迫加速了GluA2、GluA3和GluB1等谷蛋白亞基基因在水稻灌漿前中期的表達(dá)，而顯著抑制了醇溶蛋白13 KDa家族基因Pro13、Pro14和Pro17在整個(gè)灌漿期的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子基因RISBZ1、RPBF和參與蛋白前體剪切、折疊和加工的基因PDI、BiP對(duì)高溫的響應(yīng)模式與谷蛋白和醇溶蛋白家族基因類似。同時(shí)，高溫加速了籽粒氮

8、同化類基因(GS1、GDH1和GOT)，碳氮分配類基因(SnRK1a)的表達(dá)，而抑制了淀粉合成類基因(GBSS1，SSIIa)的表達(dá)。揭示高溫脅迫下籽?？偟鞍椎脑黾硬粌H與貯藏蛋白合成基因表達(dá)的變化有關(guān)，還與貯藏蛋白合成基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白前體的折疊和加工、籽粒氮同化和淀粉合成基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。
　　4、構(gòu)建了PDI沉默載體pTCK303-RiOsPDI和超表達(dá)載體pTCK303-OsPDI，經(jīng)農(nóng)桿菌介導(dǎo)和潮霉素(Hyg)

9、抗性基因的PCR鑒定，確定攜帶有干擾片段和全長(zhǎng)表達(dá)序列的T-DNA區(qū)已整合到水稻基因組中，且在轉(zhuǎn)基因T1代符合3∶1的分離模式。熒光定量PCR的檢測(cè)結(jié)果表明，PDI基因沉默和超表達(dá)轉(zhuǎn)基因陽(yáng)性植株不同器官中的PDI表達(dá)量均顯著降低和升高，并且抑制或提升效應(yīng)對(duì)于花粉器官效果較明顯。對(duì)轉(zhuǎn)基因T2代植株的高溫結(jié)實(shí)特性和籽粒理化品質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，PDI基因沉默后，籽粒粗蛋白總量和直鏈淀粉含量的影響不甚明顯，但高溫脅迫處理下結(jié)實(shí)率大幅度降低