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强光条件下,植物产生光抑制是一种普遍存在的现象。植物中存在着多种防御机制以防止或减少光抑制,其中叶黄素循环是植物应对光抑制的重要保护机制之一。玉米黄质环氧化酶(ZEP)和紫黄质脱环氧化酶(VDE)是叶黄素循环中的两个关键酶,能够催化叶黄素循环组分紫黄质(V)、玉米黄质(A)和玉米黄质(Z)间的相互转化,其中Z含量增加能够提高植物的光保护能力。本研究以毛竹(Phyllostachys edulis)为材料,在研究了强光条件下毛竹叶片的光抑制特征和叶黄素循环在毛竹叶片光抑制防御中作用的基础上,克隆获得了叶黄素循环关键基因ZEP和VDE同源基因,并对其进行了功能研究。同时也对毛竹Psb S基因及其上游启动子区域进行了初步研究。主要结果如下:1、应用叶绿素荧光技术,研究强光胁迫下毛竹的光抑制特征和叶黄素循环在毛竹叶片强光破坏防御中的作用。结果表明,在夏天中午的强光下或人为强光胁迫下,毛竹叶片最大光化学效率(Fv/Fm)均降低(p<0.01),非光化学淬灭(NPQ)均增加;但下午光强减弱或弱光条件下,Fv/Fm可恢复。叶黄素循环抑制剂二硫苏糖醇(DTT)可以抑制紫黄质脱环氧化酶的活性,DTT处理毛竹叶片,抑制其NPQ,使强光下毛竹叶片的Fv/Fm、光化学淬灭(qP)等荧光参数下降幅度明显加大(p<0.01),表明叶黄素循环在毛竹叶片光保护机制中具有重要的作用。2、为筛选毛竹光保护相关基因,在基于强光胁迫下毛竹叶片Fv/Fm和NPQ的变化趋势及自然环境中强光照射时间,选择强光胁迫0 h、0.5 h和8 h后3个时间点进行转录组测序。分析结果表明,共计获得了1293个差异表达基因,其中上调基因中包括OHP、SEP、Elip和Psb S等LHC-like基因以及叶黄素循环关键基因ZEP和VDE,这为后续深入研究毛竹光保护相关基因的功能奠定了基础。3、通过RT-PCR和RACE技术,克隆获得了毛竹中编码玉米黄质环氧化酶基因的全长cDNA序列(GenBank No.KP274885),命名为Pe ZEP,并对其进行了功能分析。该基因cDNA全长2532 bp,编码一个含有670个氨基酸残基的多肽。序列分析表明:PeZEP具有ZEP家族的特征结构域,与水稻(Oryza staiva)等禾本科植物的ZEP高度相似(90%以上)。组织特异性表达分析表明,Pe ZEP在根、茎、叶片、叶鞘中均表达,其中叶片中的表达量最高。在毛竹叶片中,强光和干旱能诱导Pe ZEP的表达上调,而4℃低温胁迫和外源ABA则抑制其表达。Pe ZEP在拟南芥中的功能分析显示,过量表达PeZEP增加了转基因拟南芥对强光的敏感性,同时能增加转基因植株的耐旱性。4、利用实时定量PCR技术研究了Pe VDE在不同胁迫条件下的表达情况。结果表明,强光、42℃高温和干旱等胁迫能诱导毛竹叶片中Pe VDE基因表达的增加,而4℃低温胁迫和外源脱落酸(ABA)在短期内诱导Pe VDE的表达,但随着处理时间增加,其表达受到明显抑制。利用拟南芥vde突变体npq1对毛竹编码紫黄质脱环氧化酶基因Pe VDE的功能进行了研究。结果显示,Pe VDE能够异源互补拟南芥突变体npq1,恢复其NPQ能力,且过量表达Pe VDE可以提高拟南芥的NPQ能力,同时减少强光或低温弱光对其造成的光抑制程度。5、在毛竹中Psb S至少存在2个同源基因(Pe Psb S和Pe Psb S1),两者的开放读码框(ORF)分别长810 bp和807 bp,各自编码269和268个氨基酸多肽,具有91.8%的相似性;两者具有相同的基因结构:4个外显子和3个内含子。基因表达分析显示:Pe Psb S和Pe Psb S1具有相似的表达模式,都在毛竹绿色组织中表达,且受强光诱导表达。利用拟南芥突变体npq4对毛竹PsbS基因功能进行了研究,结果显示,Pe Psb S和Pe Psb S1都能够异源互补拟南芥突变体npq4,恢复其NPQ能力,且过量表达Pe Psb S和Pe Psb S1都可以提高拟南芥在强光下的NPQ和Fv/Fm。6、利用与报告基因GUS融合瞬时表达的方法研究了Pe PsbS和Pe PsbS1的上游启动子的活性。利用毛竹基因组数据,设计引物,克隆了Pe Psb S和Pe Psb S1的上游启动子区域,分别位于起始密码子ATG上游2373 bp和1500 bp。进一步序列分析显示,2个基因的启动子区域均存在大量光响应元件。分别将Pe PsbS和Pe PsbS1启动子与报告基因GUS融合,在烟草中瞬时表达,结果表明2个启动子均可启动GUS基因表达,具有生物学活性。本研究为深入了解毛竹的光保护机制奠定了基础,为解释竹子在自然界广泛分布的环境适应性提供了的参考依据,同时也为开发利用毛竹基因资源提供了良好的借鉴。