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水稻是世界上最主要的粮食作物之一,其秸秆可为化工和生物能源生产提供大量的原材料。遗传改良水稻粮食和生物质产量相关的多个性状,可以综合提高水稻的经济价值和社会效益。因此,为了保证水稻优质高产和稳产,必须提高作物抗倒伏、抗病虫害和抗旱耐盐的能力,同时还需提高秸秆生物质产量和降解转化效率。蔗糖合酶可为纤维素、胼胝质和淀粉等多糖生物合成提供底物UDPG和ADPG,在植物碳源分配中起关键调控作用,并影响相关重要农艺性状和生物质产量形成。此外,伸展蛋白可调控植物细胞壁形成、壁网络结构组建和细胞伸长等生物学性状,并影响作物的机械强度和抗倒伏能力。本研究通过超表达水稻蔗糖合酶和伸展蛋白,解析了转基因水稻重要农艺性状的改良和生物质降解转化效率提高的机制,揭示了水稻蔗糖合酶和伸展蛋白生物学功能及调控机理,从而为相关作物遗传改良提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下:第一章蔗糖合酶改良水稻重要农艺性状和生物抗性的分子机理1.利用拟南芥次生壁合成特异表达启动子At Ces A8和玉米泛素启动子Ubiquitin构建Os SUS3基因的转化载体,通过农杆菌介导的遗传转化方法导入粳稻品种中花11（ZH11）中。在转基因后代中共挑选了8个纯合转基因株系（每个启动子4个株系）用于后续研究。与对照ZH11相比,这8个株系Os SUS3的基因表达,Os SUS3蛋白含量和SUS总酶活性都显著增加。2.通过3年田间农艺性状调查,Os SUS3转基因材料单株种子产量与ZH11和空载对照无显著差异,但At Ces A8::SUS3转基因种子和千粒重减小,而Ubi::SUS3转基因种子和千粒重增大。3.细胞学观察表明,At Ces A8::SUS3在颖壳发育的多个时期颖壳长度减小和细胞密度降低。基因表达分析显示,次生壁纤维素合酶基因Os CESA4和Os CESA9表达量显著升高,初生壁纤维素合酶基因Os CESA1,Os CESA8和6个细胞分裂相关基因表达量降低;而Ubi::SUS3相关性状与基因表达则与之相反。4.稻米品质测定表明,At Ces A8::SUS3转基因种子的垩白度（35%-62%）和垩白率（23%-47%）降低,而Ubi::SUS3转基因种子则呈相反趋势。扫描电镜观察发现,At Ces A8::SUS3的淀粉粒形状规则、淀粉粒间隙小、排列紧密,而Ubi::SUS3的淀粉粒呈圆球状,大小参差不齐,且淀粉粒间隙大,排列疏松。此外,Ubi::SUS3的直链淀粉含量增加了10%-21%,而At Ces A8::SUS3的直链淀粉含量、胶稠度、蛋白含量与对照相似。5.通过4年和2个地点的田间调查,所有Os SUS3转基因材料抗倒伏能力增加,倒伏指数减小17%-50%,拉力和斜推力增大,株高降低。此外,还发现Os SUS3转基因材料次生细胞壁增厚,纤维素和半纤维素含量增加。6.Os SUS3转基因材料比对照ZH11生物质产量增加5%-15%。经过1%Na OH和1%H2SO4预处理,Os SUS3转基因的茎秆酶解产糖率增加,乙醇转化率也相应提高。7.两种白叶枯菌株的人工接种实验显示,Os SUS3转基因材料的病斑长度小于对照ZH11;转基因材料中胼胝质大量快速沉积在叶片筛板附近,且胼胝质合酶表达上升,降解酶表达下降。8.3种稻瘟病菌株接种实验表明,Os SUS3转基因材料的发病病斑数目减少29%-53%,病斑长度减少11%-31%。与白叶枯实验相似,其胼胝质含量增加,胼胝质合酶表达上升,降解酶表达下降。9.苗期和灌浆期褐飞虱接虫实验表明:褐飞虱优先选择对照ZH11作为取食对象。在Os SUS3转基因材料中,其胼胝质含量,胼胝质合酶和降解酶表达也与上述两种病害处理结果相似。利用刺吸电位图谱技术记录褐飞虱取食行为,发现褐飞虱在Os SUS3转基因材料中韧皮部的取食时间显著缩短,而在木质部取食、非刺探波和路径波的时间延长;暗示在Os SUS3转基因材料中胼胝质的大量积累可能堵塞了韧皮部,阻碍了褐飞虱取食。第二章类伸展蛋白影响水稻机械强度和抗倒伏能力的分子机理研究1.系统进化分析显示Os EXTL与27个已知的伸展蛋白序列差异较大,故本研究命名为类伸展蛋白。2.利用两个启动子（PIN1c和Ubi）超表达Os EXTL,各挑选3个转基因纯合株系用于后续研究。Q-PCR和Western结果显示,6个株系的Os EXTL基因表达和蛋白含量皆显著增加。3.农艺性状田间调查显示,Os EXTL转基因材料的主要农艺性状与ZH11和空载对照相似。但其成熟期株高降低7%-10%,剑叶和节间茎秆长度减小,倒4节茎秆细胞长度减少28%-31%。4.3年的抗倒伏指标调查显示,Os EXTL转基因材料的倒伏指数减少10%-48%,而拉力和斜推力增大,说明Os EXTL超表达增强了水稻抗倒伏能力。5.细胞学观察发现Os EXTL转基因材料维管束细胞、厚壁组织细胞和薄壁组织细胞显著增厚;Os EXTL转基因材料厚壁组织的整个细胞壁和次生细胞壁厚度分别增加了26%-57%和41%-74%。6.细胞壁成分测定表明,Os EXTL转基因材料成熟期叶片和茎秆的纤维素含量分别增加了9%-20%和14%-25%,果胶含量减少了8%-41%,而半纤维素和木质素含量及半纤维素单糖组成无显著差异。