高溫對水稻花器傷害和籽粒品質影響的相關碳氮代謝機理.pdf

1、在水稻整個生育期中，孕穗、抽穗揚花期和灌漿期是最容易遭受高溫脅迫影響的時期，導致水稻結實率大幅度降低，稻米食味品質和營養(yǎng)品質下降(Fitzgerald et al，2009)，本研究在前期對水稻品種耐熱性篩選的基礎上，以溫度敏感度不同的水稻基因型為材料，通過人工氣候箱控溫實驗，探析了高溫脅迫對水稻花器傷害、結實特性和稻米品質影響的碳氮代謝特征及其分子生態(tài)基礎，并以蛋白二硫異構酶(PDI)基因沉默和超表達水稻為材料，對PDI基因表達與水稻

2、高溫花粉育性變化間的關系進行了研究分析。主要研究結果如下:
　　1、水稻在減數分裂期和小孢子發(fā)育期遭遇高溫均會使其結實率和花粉育性產生明顯下降，其中減數分裂期高溫對花粉育性和結實率的危害程度要大于小孢子發(fā)育期。高溫脅迫會導致花藥中的糖轉運過程受阻、單糖（果糖、葡萄糖）積累量增加，蔗糖和淀粉積累量顯著減少。基因芯片和熒光定量PCR結果表明減數分裂期高溫加速了水稻花藥中蔗糖的運輸裂解過程，其中蔗糖轉化酶基因CIN1對溫度的敏感程度顯著

3、大于蔗糖合成酶類基因(SUS4、SUS5、SUS6)。蔗糖轉運體基因SUT3和CIN1在減數分裂期高溫脅迫下呈顯著上調表達，可能與水稻花器官響應高溫脅迫的蔗糖信號代謝存在較密切聯(lián)系。單糖轉運體基因MST8表達量顯著下調可能是導致單糖不能及時從花藥運輸到花粉中，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基因前導內含子區(qū)域有一個T到G的突變，導致其前導內含子5'剪切

4、位點的堿基序列從AGTTATA變成AGGTATA，引起9311eha中GBSS酶活性、Wx基因轉錄水平和剪切效率增加，從而導致其表觀直鏈淀粉(AAC)和實際的直鏈淀粉(HWS)含量高于其野生對照9311的2倍左右。酶活分析表明Wx基因突變并未對水稻灌漿籽粒中淀粉合成代謝其他關鍵酶的活性及其溫度響應模式產生明顯影響。高溫處理對9311eha發(fā)育胚乳中Wx基因的mRNA轉錄表達和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，揭示溫度處理對稻米直鏈淀粉含量的影響效應并不完全是由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轉錄水平和GBSS酶活的時期特異性;另一方面高溫脅迫下GBSS1(Wx基因)在9311eha發(fā)育胚乳中的下調表達，通常與SSSIIa和SBEIIb的下調表達相伴隨，SSSIIa和SBEIIb的表達量下降可能對其高溫脅迫下的直鏈淀粉合成起一定程度的“補償”作用。此外，高溫處理顯

6、著增加了9311eha和9311胚乳中中長支鏈淀粉和大淀粉顆粒比例，從而導致糊化溫度增加。
　　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，導致谷醇比在高溫脅迫下顯著上升。SDS-PAGE結果表明高溫脅迫導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，而顯著抑制了醇溶蛋白13 KDa家族基因Pro13、Pro14和Pro17在整個灌漿期的表達。轉錄調控因子基因RISBZ1、RPBF和參與蛋白前體剪切、折疊和加工的基因PDI、BiP對高溫的響應模式與谷蛋白和醇溶蛋白家族基因類似。同時，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，而抑制了淀粉合成類基因(GBSS1，SSIIa)的表達。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的變化有關，還與貯藏蛋白合成基因的轉錄調控、蛋白前體的折疊和加工、籽粒氮同化和淀粉合成基因表達的動態(tài)變化密切相關。
　　4、構建了PDI沉默載體pTCK303-RiOsPDI和超表達載體pTCK303-OsPDI，經農桿菌介導和潮霉素(Hyg)

9、抗性基因的PCR鑒定，確定攜帶有干擾片段和全長表達序列的T-DNA區(qū)已整合到水稻基因組中，且在轉基因T1代符合3∶1的分離模式。熒光定量PCR的檢測結果表明，PDI基因沉默和超表達轉基因陽性植株不同器官中的PDI表達量均顯著降低和升高，并且抑制或提升效應對于花粉器官效果較明顯。對轉基因T2代植株的高溫結實特性和籽粒理化品質進行了檢測。結果表明，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實率大幅度降低