木薯(Manihot esculenta)是三大薯类作物之一,同时也是世界第六大粮食作物,是重要的粮食作物及新型能源作物。在我国木薯主要于热带和亚热带地区广泛种植,对热带地区间歇性干旱有很强的适应能力。当干旱来临,木薯可以通过主动减缓生长、灵活脱叶等机制,保持一定的生长量或维持存活度过干旱期。因此可以推测,木薯具有一套行之有效的耐/抗旱分子机制。对木薯独特抗旱分子机理的研究将有助于挖掘木薯中的抗旱基因,为木薯的分子育种提供基因资源,同时对其他作物的抗旱研究也具有理论指导意义。植物界中,从低等的苔藓植物到被子植物都有HD-Zip类转录因子的存在,它们同植物的生长发育密切相关。越来越多的研究表明,转录因子在植物应对干旱过程中起着重要的作用。为了研究HD-Zip类转录因子在木薯抗干旱反应过程中扮演的角色,本研究利用生物信息学技术及转录组数据分析,通过半定量RT-PCR分析木薯HD-Zip基因对干旱的响应,进而通过拟南芥和木薯遗传转化来验证目标基因的功能。主要研究结果如下：1.应用植物生理生化分析技术对木薯耐旱性能进行分析,筛选得到对干旱的反应表型比较明显的木薯品种“SC124”作为本研究的材料。2.根据HD-Zip类转录因子保守结构域特点,对木薯基因组数据库BLAST分析,在木薯中共分离得到43个HD-Zip类基因。对这些基因进行生物信息学分析,结果表明,他们都具有HD-Zip蛋白典型3螺旋空间结构；根据序列同源性进行物种进化关系分析结果显示,木薯HD-Zip蛋白被分为4个亚类,这与其他已报道物种中的HD-Zip蛋白分类是一致的。3.根据干旱胁迫下木薯转录组数据分析,初步获得10个干旱胁迫响应的木薯HD-Zip类基因。采用半定量PCR技术对10个候选基因在干旱胁迫下的表达模式进行分析,最终选定5个不同表达类型的候选基因(MeHDZ05、MeHDS09、MeHDZ13、 MeHDZ14、MeHDZ15)作为本研究的目标基因。4.基因结构分析表明,MeHDZ05基因属于Ⅲ亚家族成员,亚细胞定位试验表明MeHDZ05蛋白在细胞核内优势表达。MeHDZ05基因在叶柄中的表达较高,随着干旱的加剧,表达量逐渐降低；在叶片及根中的表达量很低,但随着干旱加剧MeHDZ05基因表达量逐渐升高。MeHDZ05在拟南芥中的过量表达使的转基因株系根系较对照组短,转基因植株对PEG8000敏感,对干旱也比较敏感。5.基因结构分析表明,MeHDS09基因属于Ⅲ亚家族成员,亚细胞定位试验表明MeHDS09蛋白在细胞核内优势表达。MeHDS09基因在叶柄中特异表达,受干旱胁迫后,叶柄中该基因的表达随胁迫程度的加重表达量逐渐降低,干旱早期该基因在叶片中被诱导表达。木薯中MeHDS09受ABA诱导表达,推测其可能在ABA途径中发挥作用。MeHDS09在拟南芥中的过量表达使的转基因株系的叶片表层蜡质加厚、颜色变深；转基因株系对PEG表现较强的耐受性,同时具有显著抗旱能力。这表明MeHDS09基因对植物体耐受干旱方面起着重要的作用；6.基因结构分析表明,MeHDZ13基因属于II亚家族成员,酵母自激活实验及亚细胞定位试验表明,MeHDZ13蛋白不完全在细胞核内表达、转录自激活作用非常弱,因此,MeHDZ13可能不在细胞核内起作用。MeHDZ13在叶片和叶柄中特异表达,该基因在叶片中受干旱诱导表达量呈增加趋势,而在根中的表达模式则相反。MeHDZ13在拟南芥中的过量表达使的转基因株系种子萌发较对照组要延迟,花粉粒数量较对照组显著减少,雌蕊柱头较对照组光滑难以容纳花粉粒着床,转基因株系果夹稀少,结实率严重降低。MeHDZ13在拟南芥中的过量表达对植株营养生长(株高、莲座等)无显著影响,转基因植株对PEG和干旱表现为比较敏感。7.基因结构分析表明,MeHDZ14基因属于I亚家族成员,酵母自激活实验及亚细胞定位试验表明,MeHDZ14蛋白定位于细胞核、具有转录自激活作用。MeHDZ14特异的在叶柄中表达；轻微干旱(干旱处理8天)时,MeHDZ14在根和叶片组织中被干旱诱导表达,且随着干旱程度的加重,该基因在叶片中呈上升趋势,根组织中MeHDZ14在干旱早期(D8)出现跃升,而后一致保持较高的水平,这暗示着根系MeHDZ14在应对早期干旱起重要作用。MeHDZ14在拟南芥中的过量表达使得转基因株系对干旱也有一定的耐受能力,但耐受能力不如MeHDS09强；8.基因结构分析表明,MeHDZ15基因属于I亚家族成员,酵母自激活实验及亚细胞定位试验表明,MeHDZ15蛋白定位于细胞核、具有转录自激活作用。MeHDZ15在木薯各组织中表达量非常低；该基因受干旱的诱导上调表达,叶柄中MeHDZ15基因在干旱早期(D8)出现跃升,而后一致保持较高的水平,在根系中MeHDZ15基因随着干旱的加重逐步上调表达,而在叶片组织中则是到了严重干旱时(D20)才出现表达,这暗示着MeHDZ15基因可能参与细胞凋亡过程,在叶柄中的表达对干旱比较敏感。MeHDZ15受ABA诱导表达,其可能在ABA途径中发挥作用。MeHDZ15的过表达使拟南芥植株对PEG8000和干旱表现为一定的耐受性。9.目标基因MeHDZ15过表达转基因株系对NaCl表现为较强的耐受性,而MeHDZ05、MeHDS09、MeHDZ13过表达转基因株系对NaCl表现为敏感。10.本研究根据已有的研究结果,对木薯悬浮细胞转化体系进行了摸索试验,最终成功的建立了农杆菌遗传转化体系,并得到MeHDS09过表达转基因株系,PCR鉴定为阳性。