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作物高光效育种自上个世纪80年代提出以来已经成为提高作物产量的重要方向之一。应用分子生物学、分子遗传学等方法研究寻找作物高光效相关基因,并通过基因工程培育高光效作物品种已成为现代农业研究的重要内容。本研究在前期研究已从小麦芯片中筛选到一批受强光诱导差异表达基因基础上,从中挑取了6个(分别为Ta23008、Ta24695、Ta27787、Ta92165、Ta119251和Ta106078)基因作为研究对象,以普通小麦小偃54为实验材料,利用大麦条斑病毒(barley stripe mosaic virus,BSMV)介导的基因沉默(Virus-induced gene silencing,VIGS)系统对其功能进行初步研究;综合考虑6个目的基因BSMV植株各表型差异,筛选并克隆了Ta92165(Ta SCL14)基因,通过基因减量表达(小麦中)、超量表达(拟南芥中)和在小麦中遗传转化对Ta SCL14进行进一步的生物学功能验证,得到以下主要结果:1.从小偃54小麦c DNA中分离到6个目的基因片段(大小在160~200 bp之间),连接到BSMV的γ载体上,并在体外转录成病毒RNA,成功侵染小偃54。在侵染植株病斑出现后对各目的基因的BSMV植株进行了基因表达验证,RT-PCR(Reverse transcription PCR)结果表明各目的基因在各自的BSMV植株中的表达量比其在对照植株(BSMV:GFP)中的低,说明目的基因被成功沉默。2.测定BSMV小麦在不同光温条件及不同氧化剂处理下叶片光系统II最大光化学效率(Fv/Fm)和光合性能指数(P.I.)的变化以研究其抗光氧化胁迫能力。结果发现,与对照相比,BSMV:Ta23008和BSMV:Ta92165小麦对低温强光、敌草隆(3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethyl urea,DCMU)、甲基紫精(methyl viologen,MV)和H2O2处理引起的光氧化胁迫表现出更弱的抗性;BSMV:Ta24695小麦对低温强光和H2O2处理引起的光氧化胁迫表现出更弱的抗性;BSMV:Ta27787小麦对低温强光、DCMU和H2O2处理引起的光氧化胁迫表现出更弱的抗性;BSMV:Ta119251小麦对DCMU处理引起的光氧化胁迫表现出更弱的抗性;BSMV:Ta106078小麦对DCMU、MV和H2O2处理引起的光氧化胁迫表现出更弱的抗性。这些结果表明,这6个目的基因参与小麦对光氧化胁迫抗性的调节。3.BSMV小麦叶片的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量和电导率大小分析表明,BSMV:Ta23008、BSMV:Ta24695、BSMV:Ta92165、BSMV:Ta119251和BSMV:Ta106078小麦叶片MDA含量均比对照高;BSMV:Ta23008、BSMV:Ta24695、BSMV:Ta27787、BSMV:Ta92165和BSMV:Ta106078小麦叶片电导率均比对照高,表明各目的基因沉默后,造成其BSMV小麦叶片细胞膜的损伤,这可能是它们在光氧化胁迫中出现更低抗性的重要原因。4.通过观察在氧化剂(DCMU)处理后BSMV小麦叶片颜色变化,分析基因沉默对叶绿素的影响。结果发现,在DCMU处理6 d后,BSMV:Ta23008、BSMV:Ta24695、BSMV:Ta92165和BSMV:Ta106078小麦叶片漂白现象比对照严重,表明Ta23008、Ta24695、Ta92165和Ta106078这几个基因可能参与叶绿素积累途径。5.统计在病毒侵染38 d后BSMV小麦植株的生物量,分析基因沉默对小麦植株生长的影响。结果发现,BSMV:Ta23008、BSMV:Ta92165、BSMV:Ta119251和BSMV:Ta106078整株小麦鲜重显著低于对照,表明这几个基因参与调节小麦生长发育,与生物量积累相关。6.从小偃54基因组中克隆小麦TaSCL14基因全长序列,共含2238个核苷酸碱基对(base pairs,bp),生物信息学分析结果表明其不含内含子,编码一个包含675个氨基酸残基的蛋白质,分子量为74.9 k Da,等电点为6.45;在NCBI中对Ta SCL14蛋白序列进行比对分析,结果表明Ta SCL14属于GRAS转录因子家族,拟南芥中同源蛋白名为At SCL14;利用中国春缺四体小麦将Ta SCL14基因定位于普通小麦第四同源群A组染色体上;通过构建163h GFP::Ta SCL14融合蛋白载体,利用基因枪轰击洋葱表皮细胞的方法对Ta SCL14进行亚细胞定位,结果表明,Ta SCL14蛋白位于细胞核内。7.Real-time PCR结果表明,Ta SCL14基因在小麦根、茎、叶、颖壳、穗轴和种子等组织中均表达,其中在根中表达量最高,说明Ta SCL14可能参与小麦各个器官生长发育的调节,尤其是对根生长发育的调节;Ta SCL14受强光胁迫诱导上调表达,暗示其在光氧化胁迫抗性中的潜在作用。8.Ta SCL14基因沉默实验结果表明,BSMV:Ta SCL14小麦植株比BSMV:GFP对照植株生长弱小,表现为BSMV:Ta SCL14小麦植株具有更低的生物量、更小的叶面积、更少的分蘖数和叶片数;BSMV:Ta SCL14小麦植株光合特性分析表明,与对照相比,其具有较低的光合速率、气孔导度、光量子效率、羧化效率及核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)酶活;此外,在黑暗诱导叶片衰老过程中,BSMV:Ta SCL14小麦叶片比对照衰老更快,表明Ta SCL14可能参与植物的衰老调节。9.构建由35S启动子驱动的超量表达载体,在拟南芥中超量表达小麦Ta SCL14基因。表型分析发现,转Ta SCL14基因拟南芥植株生长显著好于野生型(wild type,WT),表现为鲜重、干重、叶片数、叶面积及产量的增加;转基因植株的光合速率和气孔导度高于WT;与WT相比,转基因植株对由强光、DCMU、MV和H2O2引起的光氧化胁迫具有更高的抗性;转基因植株具有比WT更发达的根系,表现为总根长及主根比WT长,侧根数目比WT多;细胞学观察结果表明,转基因植株主根具有更长的细胞分生区长度和成熟区细胞长度,更多的细胞分生区数目,说明转基因系根长的增长主要通过增加分生区长度和细胞数目、成熟区细胞长度来实现;Real-time PCR结果表明,在拟南芥中超量表达小麦Ta SCL14基因上调表达了与植物生长发育调节以及抗胁迫相关基因,如NAC032(At1g77450)、CYP81D11(At3g28740)、AKR(At2g37770)、GST25(At2g29420)、MO1(At4g15760)、UGT74E2(At1g05680)、ASI3(At4g13180)、DJ1A(At3g14990)、At5g61820、ATAF1(At1g01720)、At5g16980、NIT4(At5g22300)和At5g61950。10.将TaSCL14基因构建到由ubiquitin启动子驱动的超量表达载体上,利用基因枪轰击小麦幼胚的方法转化普通小麦,获得了90株(T1代)转Ta SCL14基因小麦,大部分T1代转基因植株生长显著好于对照,其植株高壮,光合速率及气孔导度比对照高。表明Ta SCL14具备改良小麦株型和光合特性的潜力;转Ta SCL14基因小麦在其他生理生化特性的改良实验还在验证。