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小麦(Triticum aestivum)是我国重要的粮食作物之一,其高产、稳产对国家粮食安全和农业可持续发展极其重要。低温胁迫是一种主要的非生物胁迫,会严重影响小麦的生长与发育,从而降低其产量。东北农业大学自主培育出了能克服黑龙江地区高寒气候条件的强耐寒冬小麦品种“东农冬麦1号”(Dn1)(返青率≥85%),探讨其抗寒机制至关重要。磷酸戊糖途径(PPP)是真核生物NADPH的主要来源,并为生物合成提供代谢中间体。当植物遭受非生物胁迫时,PPP途径可以维持细胞的氧化还原平衡,因此,该途径是植物抵抗非生物胁迫的关键途径。6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH,EC.1.1.1.49)和6-磷酸葡糖酸脱氢酶(6PGDH,EC.1.1.1.44)是磷酸戊糖途径的关键酶。本研究以大田自然降温条件下种植的Dn1为基础材料,测定4个温度节点(5℃、0℃、-10℃、-25℃)下分蘖节和叶片中TaG6PDH与Ta6PGDH的活性及基因表达量,并从Dn1中分离TaG6PDH和Ta6PGDH基因,在拟南芥中过表达,以探讨其响应低温胁迫的生理与分子机制。实验结果如下:(1)生物信息学分析结果显示,冬小麦TaG6PDH和Ta6PGDH蛋白定位于细胞质中,与乌拉尔图小麦和山羊草亲缘关系较近,并均含有底物结合位点和NADP~+结合位点。(2)随着温度降低,冬小麦分蘖节和叶片的TaG6PDH和Ta6PGDH的表达量逐渐升高,且分蘖节中两种基因表达量的变化倍数高于叶片;外源ABA显著提高低温胁迫下TaG6PDH和Ta6PGDH的表达量。(3)冬小麦分蘖节中,TaG6PDH和Ta6PGDH的活性随着温度降低而升高,在-10℃达到峰值,但-25℃时又降低到5℃对照水平。叶片中,两个酶的活性随着温度的降低并无显著增加,但温度降到-25℃时,活性急剧下降。外源ABA显著提高低温胁迫下TaG6PDH和Ta6PGDH的活性。(4)成功构建了TaG6PDH和Ta6PGDH的超表达载体,转化拟南芥获得超表达植株。(5)对野生型、突变体和超表达拟南芥植株进行室内低温胁迫(4℃、0℃、-10℃)处理,TaG6PDH和Ta6PGDH的超表达植株都能够在低温胁迫后恢复到正常的生长状态。生理指标测定结果显示,在相同的低温下超表达植株与野生型和突变体相比有较高的叶绿素含量、较低的MDA含量及伤害率。DAB和NBT染色结果也显示出超表达植株能够在低温胁迫下产生更少的活性氧(ROS),从而减少氧化胁迫对植株的伤害。(6)低温胁迫下,拟南芥超表达植株中TaG6PDH、Ta6PGDH表达量在0℃和-10℃显著升高,且TaG6PDH超表达植株中内源At6PGDH基因表达量显著高于野生型;同样,Ta6PGDH超表达植株中内源AtG6PDH基因的表达量也显著高于野生型。(7)0℃和-10℃下,TaG6PDH超表达植株中G6PDH活性显著高于野生型和突变体;同样,Ta6PGDH超表达植株中6PGDH活性也显著高于野生型和突变体。本研究初步证实了冬小麦胞质TaG6PDH和Ta6PGDH响应低温胁迫,在拟南芥中超表达TaG6PDH和Ta6PGDH能够增强植株的抗低温能力。本实验结果为解析Dn1抗寒机制提供了相应的理论依据,也为冬小麦抗寒分子育种奠定了理论基础。