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植物体内水分平衡调节是维持正常生命活动所必需的。水通道蛋白(Aquaporins,AQPs)通过调节细胞中水分快速流动,参与植物水分吸收、营养物质摄入和组织扩张等生理过程。植物的细胞分裂和细胞伸长离不开AQPs,依赖AQPs的细胞膨压为细胞的分裂和膨大提供动力,此外,持续的膨压可以诱使细胞壁的伸展,影响植物的生长。作为一类重要的森林植物,竹子能在短时间内完成高生长,其笋期的迅速生长是由细胞分裂和伸长共同决定的。研究表明,根压决定竹子的生长高度,水势是驱动毛竹快速生长的关键因素。因此,系统研究竹子AQPs(PeAQPs)基因的功能与水分平衡之间的关系,对于全面解析竹子的速生机制具有重要的科学意义。本研究以毛竹(Phyllostachys edulis)为研究对象,从PeAQPs基因的全基因组鉴定出发,通过对PeAQPs的基因结构、编码氨基酸的基本理化性质、二级和三级结构等分析与预测,并在此基础上对毛竹快速生长期根压的日变化,不同组织的转录组数据,qPCR定量分析结果进行了综合分析,并对PeTIP4;1-1和PePIP2;7基因进行了功能研究。主要结果如下:1.毛竹水通道蛋白基因的全基因组鉴定应用生物信息学方法对PeAQPs基因进行全基因组鉴定。以水稻(Oryza sativa)和玉米(Zea mays)的AQPs基因序列为诱饵,在毛竹基因组和转录组数据库中进行比对分析,删除保守结构域残缺序列,最终分别在第一版、第二版毛竹基因组数据库中鉴定到PeAQPs基因26个和63个。经过对PeAQPs基因结构、Scaffold位置,以及编码蛋白的基本理化性质、亚细胞位置、保守结构域和功能预测等的全面分析,明确了63个毛竹PeAQPs基因分别隶属于PIPs(22个)、TIPs(20个)、NIPs(17个)和SIPs(4个)四个亚家族,毛竹中不存在XIPs亚家族成员。2.毛竹水通道蛋白基因表达模式分析应用转录组数据和qPCR技术对PeAQPs基因的表达模式进行分析。结果表明:在毛竹不同组织器官中、根和笋的不同生长时期,各PeAQPs的表达模式存在明显差异,如PePIP2;3和PePIP2;4主要在根中表达,PePIP2;7在叶片中特异表达;有9个PePIPs、5个PeTIPs和1个PeNIPs基因随着根的伸长表达量持续上升;5个PePIPs、8个PeTIPs和1个PeNIPs基因在笋的尖部随着笋的发育表达量持续上升。在干旱胁迫条件下,根和叶片中分别有3个和9个PeAQPs基因的表达量受到显著诱导;在NaCl胁迫条件下,根和叶片中分别有8个和2个PeAQPs受到显著诱导。各PeAQPs的表达模式呈现差异,表明其功能存在着一定的差异。3.毛竹笋期根压与PeAQPs基因表达量关联分析毛竹笋期的根压测定结果表明,笋期具有强大的根压,如6 m高竹笋根压可达69.9 kPa。笋期根压呈现昼夜节律性变化,白天为负压,水分从笋中回流;夜间为正压,强大的根压将水分从竹笋基部运向顶部(吐水)。同时,发现一些在根压转变节点附近表达量较高的PeAQPs基因,如在根压转变节点(19时)时,PePIP1;4、PeTIP4;1和PeNIP3;3基因的表达丰度最高。此外,PeTIP4;2和PePIP2;8的基因表达量与根压呈现显著正相关。4.毛竹PeTIP4;1-1基因功能鉴定通过RT-PCR技术成功克隆到根压转变节点表达量出现峰值的基因PeTIP4;1-1,其基因组序列长度为1777 bp,包含3个外显子和2个内含子,编码区全长为756 bp,编码251个氨基酸。PeTIP4;1-1编码蛋白具有6个跨膜结构域,同时具有控制水孔大小的两个NPA保守结构域。PeTIP4;1-1主要定位在液泡膜上,其基因在茎中表达量最高,且表达量随着笋的增高而逐渐上升。成功克隆到PeTIP4;1-1基因的上游启动子序列(1497 bp),该序列包含大量胁迫应答元件,且能够诱导GUS基因在烟草(Nicotiana tabacum)叶片中表达。过量表达毛竹PeTIP4;1-1的转基因拟南芥在干旱和NaCl胁迫下抗性增强,表现为主根增长,F_v/F_m和NPQ值增加,SOD、POD和CAT酶活性提高,相对含水率提高,MDA积累量降低,同时内源胁迫相关基因AtNHX1、AtLEA和AtP5CS的表达量提高。由此表明,PePIP4;1-1基因通过表达调节水分平衡参与了竹笋的生长调控,并有助于增强毛竹抵抗干旱和盐胁迫的能力。5.毛竹PePIP2;7基因功能鉴定成功克隆到一个叶片中特异表达的PIPs亚家族成员PePIP2;7基因,其基因组序列长度为1265 bp,包含4个外显子和3个内含子,编码区全长为864 bp,编码287个氨基酸。PePIP2;7编码蛋白具有6个跨膜结构域,同时具有两个NPA保守结构域。PePIP2;7主要定位在细胞质膜上,水分渗透胁迫因子干旱和NaCl处理后,随处理的时间延长PePIP2;7的表达量呈现先升高后降低的趋势。过量表达毛竹PePIP2;7可以提高转基因拟南芥在低温胁迫条件下光合能力,表现为Y(II)和NPQ值的增加。由此表明,PePIP2;7基因通过调节叶片水分平衡响应外界胁迫环境。本研究不仅为揭示水通道蛋白基因在毛竹中功能奠定了基础,而且为全面解析竹子快速生长的分子机制提供了参考依据,有助于今后竹子的分子育种。