水稻生殖期干旱诱导基因OsFID和OsDIL的功能分析

【摘要】我国是一个农业大国,水资源严重短缺,干旱土地面积呈每年递增的趋势。水稻是主要粮食作物之一,其产量占世界粮食总产量的一半以上。近几年我国水稻主要栽培区,特别是长江流域,经常发生伏旱,严重影响了水稻的生产。而水稻生殖发育阶段是最容易受环境因素影响的环节,水稻生殖发育主要包括花器官的发育、雄蕊细胞的分裂和分化、减数分裂、花粉发育、受精过程和灌浆等。如孕穗期遭遇干旱,水稻产量会降低一半以上。前期研究发现,生殖期干旱会导致花粉不育,但只有致命的干旱才会影响雌配子体的育性。本实验室对缺水条件下水稻花发育进行了初步分析,特别关注了干旱对花粉发育的影响。为了寻找能改善干旱条件下水稻产量的基因,并探索生殖期干旱诱导基因在调控干旱条件下水稻发育的作用机理,从干旱胁迫水稻花的芯片数据中筛选了13个生殖期干旱响应基因进行鉴定、分析和转基因抗逆表型观察,从中发现了两个在水稻营养期和生殖期都具有抗干旱作用的基因：OsDIL(OryzasativaDrought-InducedLTP)基因和OsFID(OryzasativaFunctionallyImprovedDrought-tolerance)基因。通过形态学、解剖学、生理生化和分子生物学等手段分析,探讨这些基因在抗旱中的作用,具体结果如下：一、生殖期干旱诱导基因的鉴定和转基因水稻的获得从水稻花芯片结果中,筛选了13个干旱响应的候选基因,分别构建了它们的过表达和RNAi载体,通过农杆菌介导法转化到水稻日本晴中,获得了多个转基因水稻株系；对转基因水稻进行胁迫处理,通过表型分析,筛选到两个对水稻干旱胁迫耐受性有改善作用的基因：OsFID和OsDIL。二、过表达OsFID基因能够改善水稻生殖期和营养期的抗旱能力OsFID基因在水稻生殖期和营养期都受干旱诱导上调表达。OsFID基因主要在水稻根、叶和种子中表达,特别是根和叶片维管组织中表达最高；虽然在花中表达较低,但干旱诱导迅速上调表达,且主要在水稻花药绒毡层和维管组织中表达,推测可能与雄性器官发育有关。OsFID基因能改善水稻营养期和生殖期的抗旱能力；生殖期遭遇干旱,过表达OsFID基因水稻能保持水稻花粉育性并稳定水稻产量,进一步分析发现产量的提高主要是通过改善结实率,而不是增加千粒重来实现。进一步的细胞学分析发现,过表达OsFID基因降低了干旱条件下水稻花药缺陷的比例。OsFID基因编码R-R类型的MYB-like转录因子,定位在细胞核中。转录组分析发现,64个基因在干旱条件下受OsFID基因的激活表达,这些基因参与多个生物过程,如胁迫响应、细胞过程和代谢过程,其编码的蛋白具有催化活性、结合和抗氧化活性,推测OsFID主要通过参与调控氧化还原相关基因的表达,来改善水稻花的育性。在OsFID激活的基因中还包括LTP(LipidTransferProtein)基因、水通道蛋白基因和转运蛋白基因等,这些基因的提高表达为干旱条件下改善水稻花药发育提供了重要的养分和水分,能够改善水稻花药在逆境条件下的发育。以OsFID为诱饵从水稻花药cDNA表达文库中筛选与之相互作用的蛋白,发现32个可能与OsFID相互作用的蛋白,主要包括氧化还原相关蛋白和蛋白质降解相关蛋白,推测OsFID蛋白主要参与氧化还原和蛋白降解过程。三、过表达OsDIL基因能改善水稻生殖期和营养期抗旱能力OsDIL基因编码脂质转移蛋白(LTP),在生殖期和营养期受干旱等胁迫诱导;过表达OsDIL能提高水稻营养期和生殖期的干旱耐受能力。干旱条件下,OsDIL基因过表达株系的叶片和植株存活率较野生型高,而卷叶比例和缺陷花药比例较野生型低,从而使其表现出更好的抗旱能力。过表达OsFID基因能够提高POD等基因的表达,从而减少干旱导致的ROS(ReactiveOxygenSpecies)损伤;增加ABA合成相关基因和降低ABA降解相关基因的表达来增加水稻对干旱的耐受能力;另外,过表达OsFID水稻还提高了干旱条件下氧化还原和脂质转运相关基因的表达,从而减轻干旱带来的对水稻花药发育的影响。以上结果充分表明,OsFID和OsDIL基因在水稻抗旱,特别是生殖期的抗旱中起重要作用,可成为水稻节水稳产的候选基因。同时本研究涉及的生殖期抗逆基因调控网络的研究也丰富了作物生殖期抗逆性研究的理论体系,为抗逆种质的开发提供了重要的理论和实践参考。
【作者】郭长奎；
【导师】马红；
【作者基本信息】复旦大学，生物化学与分子生物学，2013，博士
【关键词】水稻；干旱；花发育；OsFID基因；OsDIL基因；转录组分析；

【参考文献】
[1]陶珉.基于文件过滤驱动的透明加密系统的设计与实现[D].电子科技大学,信息安全,2012,硕士.
[2]何晓红.对我国企业实施全面预算管理的探析[D].西南财经大学,MBA,2003,硕士.
[3]杨怡玲,管旭东,尤晋元.Web日志挖掘预处理中的Frame页面过滤算法[J].计算机工程,2001,02:76-77.
[4]王露.改进Hummers法制备氧化石墨烯及其表征[J].包装学报,2015,02:28-31+37.
[5]白璐.城市地铁站域商业与地铁站的衔接空间设计初探[D].西安建筑科技大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[6]李挚.自下而上旧城更新模式研究[D].华侨大学,建筑学,2013,硕士.
[7]周园媛.糖尿病大鼠肾组织SOD，MDA和NO的表达及丹红注射液和二甲双胍的干预作用[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[8]王炜发.无线IP网关设备设计[D].华南理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[9]赵杨,孙秀亭,谭洁.非农就业压力下推进我国农民工城镇就业的行业选择研究[J].预测,2015,02:34-40.
[10]吴晓.《搜神记》中的民间文学作品研究[D].湘潭大学,中国古代文学,2003,硕士.
[11]蔡燕丽.白纹伊蚊COI基因多态性分析及AGO2和Dcr-2基因克隆、转录水平的初步研究[D].南方医科大学,病原生物学,2012,硕士.
[12]李文韬.手术治疗脊髓型颈椎病的疗效观察[D].湖北中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[13]梁永东.基于元胞自动机的高速公路爬坡车道设置效果研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[14]黄玫玫.英语公共演讲中隐喻的翻译[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[15]陈劲伟.D公司员工离职研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[16]赵淑敏.AFCI（故障电弧断路器）的研制[D].浙江大学,2007.
[17]李春芝,菅阳阳,何颖卓.基底性质对二维层状电子气感应电场的影响[J].强激光与粒子束,2014,12:206-210.
[18]王超.中国当前小产权房问题的社会政策研究[D].中共中央党校,社会学,2013,硕士.
[19]马泽清,刘琪璟,徐雯佳,李轩然,刘迎春.江西千烟洲人工针叶林下狗脊蕨群落生物[J].植物生态学报,2008,01:88-94.
[20]张永亮.微波无源器件综合新技术及其计算机辅助调试的研究[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2013,博士.
[21]郭媛媛.氟硅氧烷修饰纳米SiO_2耐高温超疏水涂层研究[D].大连理工大学,高分子材料,2013,硕士.
[22]曹伊琳.基于H.264压缩域的电子稳像算法的研究[D].复旦大学,计算机技术,2012,硕士.
[23]吴淑龙.EP/MWNTs/MMT纳米复合材料界面形态及其对介电性能的影响[D].哈尔滨理工大学,2015.
[24]张力民.金融支持新疆农业产业发展不确定性分析及应对策略[D].新疆大学,人口、资源与环境经济学,2014,博士.
[25]田付强.聚乙烯基无机纳米复合电介质的陷阱特性与电性能研究[D].北京交通大学,2012.
[26]靳建楠.钢筋混凝土桥墩地震残余位移估计[D].大连海事大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[27]涂菶生,涂序彦.线性系统最经济控制问题的一种解法[J].自动化学报,1984,04:345-349.
[28]牛名欢.可纳入物联网的LED驱动器的研究与设计[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[29]冯晶.ABR-人工湿地分散处理乡村生活污水的控制因子的强化研究[D].北京林业大学,生态学,2014,博士.
[30]王福根.乙酰半胱氨酸纳米粒的制备与体内外评价[D].浙江大学,药剂学,2012,硕士.
[31]武岳.矛盾修辞的主观性研究[D].西南大学,英语语言文学,2013,硕士.
[32]李霞.结合动态测试和静态分析的克隆代码重构[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[33]卓奕源,伍宸.澳大利亚莫纳什大学内部治理结构研究及启示[J].浙江工业大学学报(社会科学版),2015,01:108-113.
[34]谢有成.液压开槽机施工技术在防渗工程中的应用[J].中国水利.2003(14)
[35]张志强.蔗渣水解液与糖蜜混合发酵产乙醇的研究[D].江西农业大学,土壤学,2012,硕士.
[36]尚飞.脉冲电磁场作用下La和Ce改性γ-Al_2O_3载体的制备及其性能研究[D].辽宁工业大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[37]王成亮,赵渊,周家启,刘威,韩松柏.基于日发电计划的电力系统运行风险概率评估[J].电力系统自动化,2008,04:6-10.
[38]白文明,左强,李保国.乌兰布和沙区紫花苜蓿根系吸水模型[J].植物生态学报,2001,04:431-437.
[39]袁欢媚,李俊明.1450mm六辊可逆冷轧机组整流变压器的选用[J].冶金自动化,2007,02:37-40.
[40]赵晶莹.《国际商事合同通则2010》研究[D].大连海事大学,国际经济法,2014,硕士.
[41]李娜.我国精神病人刑事强制医疗制度研究[D].贵州民族大学,刑法学,2013,硕士.
[42]关昕.基于光正交频分复用的接入网性能研究[D].北京邮电大学,电子科学与技术,2013,硕士.
[43]赵赞育.中美产品责任制度比较研究[D].辽宁大学,法律,2012,硕士.
[44]董月莎.小行星探测器的轨道设计与控制方法研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[45]王洁.沈阳市民族关系及其发展[D].中央民族大学,马克思主义民族理论与民族政策,2004,硕士.
[46]胡传鹏.情绪与认知在不同道德领域道德判断中的作用[D].湖北大学,发展与教育心理学,2012,硕士.
[47]刘学.TD电子郴州有限公司新生代员工非物质激励机制研究[D].湖南师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[48]王峰.基于联赢物流的第三方托运系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[49]陈卫东,顾冬雷,席裕庚.基于多模式交互的多移动机器人分布式合作系统[J].自动化学报,2004,05:671-678.
[50]郑琦.对连锁超市快进中信息管理的思考[J].信息与电脑,2003,09:34-36.