干旱等逆境胁迫严重影响作物的生长和产量,因此,通过研究作物耐逆机制进而分离耐逆功能基因、培育耐逆作物新品种对缓解环境恶化、提高作物生产力具有重要意义。植物遭受环境胁迫时,会激活复杂的信号网络,引起次生代谢等系统性生理变化,产生应答反应。类黄酮是一种重要的次级代谢物,具有抗氧化性和原氧化性,能调控体内氧化还原平衡,缓解氧化胁迫伤害。类黄酮包括黄酮醇和花青素等六种类型,其中黄酮醇的抗氧化和原氧化性最强；黄酮醇包括槲皮素和山奈酚等六种,它们的抗氧化和原氧化性也存在差异。不同类型的黄酮醇在植物体内合成的时空模式具有特异性,行使不同的功能。黄酮醇合成酶(FLS)催化黄酮醇的产生。拟南芥中,共有FLS1-6六个拷贝,而其他类黄酮合成相关酶均为单拷贝。小麦、水稻等单子叶植物中,FLS等类黄酮合成相关酶均为多拷贝,那么黄酮醇合成酶(FLS)不同拷贝之间是否具有催化特异性进而参与不同的生物学过程还不清楚。本实验室前期通过对小麦渐渗系耐盐抗旱新品种山融3号(SR3)的转录组分析,鉴定了两个旱胁迫下明显上调表达的小麦黄酮醇合成酶基因TaFLS1和TaFLS2,对TaFLS1的抗旱功能及机制进行了较深入的研究,发现TaFLS1主要通过促进气孔关闭调高植物的抗旱性,不影响植物的发育；而TaFLS2过表达不仅能提高植物抗旱性,还影响了植物的发育过程。本论文在前期研究的基础上,系统分析了TaFLS2在植物抗旱中的可能作用机制,并初步研究了它在发育中的作用,发现它与TaFLS1的异同。研究结果为深入研究FLS家族基因的功能特异性及其作用机制奠定了基础。1. TaFLS2提高抗旱性的作用基础利用前期获得的TaFLS2过表达拟南芥株系(OE),分析了TaFLS2的体内酶活性。与野生型相比,OE幼苗植株中两种重要的黄酮醇——槲皮素和山奈酚——的含量均明显提高,保卫细胞中黄酮醇明显富集,表明TaFLS2具有体内酶活性,其过表达促进了黄酮醇的合成。但是与TaFLS1过表达使动态平衡从花青素分支转向黄酮醇分支导致花青素含量降低不同,TaFLS2过表达提高了总黄酮和花青素的合成能力,表明TaFLS2过表达导致的黄酮醇富集对类黄酮合成通路的反馈调控特征与TaFLS1存在差异。然后,进一步研究TaFLS2抗旱的水份生理基础。外源甘露醇处理模拟渗透胁迫时,OE株系生长状况更好,侧根数目更多；正常和干旱条件下,OE株系中可溶性糖含量明显提高；野生型和OE株系离体叶片的失水率无明显差异。结果表明,TaFLS2过表达提高抗旱性与提高渗透胁迫抗性增强水份吸收能力、合成渗透调节物质及增强水分保持能力相关。与野生型相比,OE株系气孔密度增加,干旱条件下气孔开度变小,说明TaFLS2过表达影响了气孔的运动和发育,这两个改变在叶片蒸腾效率上的相反作用,导致叶片失水率没有变化。前期结果显示,虽然TaFLS1过表达系在干旱条件下气孔开度更小,但与TaFLS2不同,正常条件下气孔开度更大,气孔密度无变化。前期结果显示TaFLS1提高抗旱性还与促进ABA通路及ROS合成和清除酶活性相关。本研究发现,与TaFLSl不同,TaFLS2过表达植株的ABA敏感性、ABA合成及其介导的信号通路相关基因的表达均无变化,但是不依赖ABA的RD29A的表达量明显提高。与TaFLS1相似,TaFLS2过表达植株对H202的抗性明显增强,ROS水平提高,ROS合成和清除相关酶活性及其编码基因的表达明显增强。2. TaFLS2参与调控植物的生长发育有研究表明,黄酮醇能够通过抑制生长素的运输参与植物发育过程。我们发现,除了增加气孔数目,OE株系还出现了叶片卷曲、叶片缺刻和表皮毛增多等与生长素相关的表型。OE株系幼苗比野生型大；NAA处理,OE植株无明显变化,野生型变大并与OE株系相似,说明了TaFLS2过表达造成的黄酮醇富集影响了生长素响应。综上所述,TaFLS2过表达一方面通过对水份生理和氧化还原平衡的调节提高抗旱性,另一方面通过响应生长素影响植物发育。结合前期TaFLS1结果,可以发现不同FLS基因间的生物学功能存在差异,这种差异可能与他们的催化特异性及其对类黄酮合成和代谢通路的反馈调控相关。更重要的是,通过比较不同FLS蛋白序列关键氨基酸残基的差异及其与抗旱性的关系,进行FLS基因改造,设计抗旱性更强的FLS元件,用于作物耐旱分子育种。