bZIP(basic leucine zipper)转录因子家族是植物中成员数量最多、功能最丰富的转录因子家族之一,bZIP转录因子参与调控多种生长发育过程,包括成花诱导、花发育、胁迫应答、激素信号传导、对病原菌的防卫反应、光形态建成以及种子成熟与萌发等。小麦(Triticum aestivum L.)是全球范围内消费量最大、种植最广泛的粮食作物之一,在本研究之前还没有对小麦bZIP转录因子家族成员进行综合鉴定分析的研究报道,也没有关于小麦花药发育相关的bZIP基因的研究报道。大量研究表明,bZIP转录因子家族A亚族成员在植物非生物胁迫应答反应中发挥着重要作用,然而关于小麦bZIP家族A亚族中抗逆相关基因的研究报道还很少。另外研究表明,小麦、乌拉尔图小麦、粗山羊草、大麦和二穗短柄草是植物禾本科家族内的近缘物种,但是它们的具体进化关系仍然是一个谜。研究结果如下:1、从小麦、乌拉尔图小麦、粗山羊草、大麦基因组中分别鉴定出187个、98个、96个、107个bZIP转录因子家族成员。同源性分析表明,乌拉尔图小麦69.4%的bZIP蛋白和粗山羊草68.8%的bZIP蛋白是直系同源的。和乌拉尔图小麦、粗山羊草、大麦、二穗短柄草相比,小麦的bZIP家族内包含更多的种内旁系同源基因。小麦bZIP家族与大麦、二穗短柄草的亲缘关系较近,与乌拉尔图小麦、粗山羊草的亲缘关系较远。2、通过分析比较小麦雄性不育系和恢复系花药组织的Affymetrix基因表达芯片数据,共鉴定出与花药发育相关的48个差异表达TabZIP基因。亲缘关系较近的TabZIP基因一般具有相似的基因结构。筛选出的23个TabZIP基因中,有15个基因的启动子区域都包含LTR顺式作用元件,21个基因的表达明显响应低温处理。这23个TabZIP基因全部表现出独特的组织表达特异性,其中有11个TabZIP基因在花药中优势表达,而且它们中的大多数在二系杂交组合TY806×BS366中都表现出超亲表达模式。芯片数据和基因表达分析表明,小麦bZIP基因很可能参与花药发育过程,本研究为花药发育相关基因的筛选以及功能鉴定奠定了基础。3、从小麦bZIP转录因子家族中共鉴定出41个A亚族成员。系统进化和保守蛋白模体分析显示,小麦、拟南芥和水稻A亚族大多数抗逆相关bZIP蛋白都聚类在系统进化树的A1分支中,而且它们都含有非常相似保守蛋白模体。本研究对小麦bZIP家族A亚族成员进行了综合鉴定分析,结果表明A亚族bZIP基因,尤其是A1分支成员很可能在植物非生物胁迫应答反应中扮演重要角色,它们是研究植物抗逆机理的理想基因资源。基因结构分析显示,bZIP保守域铰链区内的内含子位置高度保守,然而亮氨酸拉链区的内含子位置却相对多变。此外,在小麦bZIP家族A亚族中还鉴定出两组串联旁系同源基因和11组A、B、D亚基因组同系基因。亚细胞定位显示,TabZIP27、Tab ZIP74、Tab ZIP138和Tab ZIP174蛋白都定位在细胞核中,而TabZIP9蛋白同时定位在细胞膜、细胞质和细胞核上。基因表达显示,大多数A亚族TabZIP基因的表达都响应脱落酸和多种非生物胁迫处理。4、TabZIP174基因的过表达能够提高干旱条件下转基因拟南芥的种子萌发率并加快其初生根的生长,同时能够显著增强转基因拟南芥的抗旱性。和野生型拟南芥比较,转TabZIP174基因拟南芥在干旱条件下水分散失速率较低,成活率较高,能够快速积累更多的游离脯氨酸和可溶性糖,并维持一个相对稳定的渗透势,同时它们的叶片叶绿素降解速率也明显减慢。此外,TabZIP174基因的过表达能够增强一些胁迫响应基因(RD29A、RE29B、RAB18、DREB2A、COR15A和COR47)的表达。增强的干旱抗性可能与转TabZIP174基因拟南芥渗透调节能力的提高密切相关。表型结果和生理指标证据表明,TabZIP174基因在增强植物抗逆性、提高粮食产量方面具有潜在的应用价值。综上所述,本研究从小麦、乌拉尔图小麦、粗山羊草、大麦基因组中分别鉴定出187个、98个、96个、107个bZIP家族成员。乌拉尔图小麦69.4%的bZIP蛋白和粗山羊草68.8%的bZIP蛋白是直系同源的。小麦bZIP家族与大麦、二穗短柄草的亲缘关系较近,与乌拉尔图小麦、粗山羊草的亲缘关系较远。通过基因表达芯片数据分析,鉴定出与花药发育相关的48个差异表达TabZIP基因,其中11个TabZIP基因在花药中优势表达,这些小麦bZIP基因很可能参与花药发育过程。另外,本研究对小麦bZIP家族的A亚族成员进行了一系列的生物信息学分析、亚细胞定位验证和胁迫条件下的基因表达分析,筛选并鉴定了一个小麦抗旱相关基因TabZIP174,并提出其增强转基因拟南芥抗旱性的可能机制。