玉米突变体DR1的基因定位与功能分析

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在世界三大作物中,玉米总产量和平均单产居世界首位,是我国重要的粮食兼饲料作物,广泛种植于各地。干旱是玉米产量的限制因子之一,对玉米的生长发育造成了极大的影响,花期干旱会导致玉米产量大幅度下降,造成严重的经济损失。因而,通过对干旱相关玉米突变体的鉴定及研究其在干旱胁迫下生理和分子水平的变化进而克隆抗旱关键基因,有助于深入了解玉米干旱适应的分子机理,对玉米抗旱育种有重要意义。  在前期育种试验中,我们发现一个玉米叶片萎蔫突变体,将其命名为dr1(drought-sensitive mutant1),dr1在田间能够迅速响应干旱胁迫并表现出叶片卷曲的暂时萎蔫表型,且具有较强的抗旱性,我们认为该突变基因可能与植物干旱响应过程相关,在此基础上展开研究并得到以下主要结论:  (1)dr1突变体在光诱导下率先表现出响应干旱胁迫的表型,具体表现为:离体叶片失水率降低,光合速率和气孔导度以及蒸腾速率等都降低,渗透压增加,水势降低,叶片卷曲萎蔫。通过单因素控制分析并结合生理学和细胞学实验,最终确定叶片萎蔫的表型受到强光诱导。  (2)遗传分析表明,该叶片萎蔫表型是由单基因控制的隐性性状,并且与株高不连锁。通过SNP芯片分析结合SSR分子标记确定叶片萎蔫表型连锁基因为3号染色体上的DR1-2。  (3)DR1-2基因在叶片中具有较高的表达水平,在dr1中的表达明显受到抑制。该基因启动子区域富集了大量的光响应相关的顺式作用元件,使其在光胁迫下具有较强的调节功能。通过亚细胞定位确定该基因编码蛋白在叶绿体膜上发挥功能,可能与光合信号通路中类囊体膜上的PSII超蛋白复合体相关。  (4)通过对差异表达变化1.2倍以上的蛋白进行分析,鉴定到326个上调蛋白和169个下调蛋白。dr1中差异表达蛋白有7%富集于环境刺激响应途径,其中有17个蛋白的表达差异显著,在水分胁迫、盐胁迫和光照胁迫的响应过程中起作用。胁迫响应关键蛋白如脱水蛋白和水通道蛋白等在dr1中出现明显上调,使其干旱抗性增强。DR1-2可能参与到Zma00940苯丙烷类代谢途径中影响了脂类的运输及定位于叶绿体中大量蛋白的表达。
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