高粱耐鹽堿種質資源篩選及木質素合成相關基因鑒定.pdf

1、由于石油、天然氣和煤炭等不可再生能源的常年開采而逐漸面臨資源枯竭，全球正遭遇著越來越嚴重的能源危機。我國地域廣闊、人口眾多，資源豐富，但人均資源則相對匱乏，隨著我國經濟的高速發(fā)展，對能源需求量巨大，能源危機更為突出。因此，探索可再生、可持續(xù)、無污染、高效清潔的新能源已成為我國乃至全球科學家重點研究的目標之一。生物乙醇作為唯一一種能以液態(tài)形式存在的新能源，是我國現(xiàn)階段最有可能實現(xiàn)產業(yè)化生產的主要生物能源產品之一，也是我國生物能源產業(yè)發(fā)展的

2、重點。以糧食和油料作物為原料來生產乙醇可能會威脅國家糧油食品安全，而植物纖維素則是一種非常有潛力、前景廣闊的生物乙醇的生產原料。我國有大量的鹽堿地、荒地、次生退化土壤，因此結合我國國情，充分利用好這些宜耕邊際性土地，篩選、培育適應性好、抗逆性強、具有較高生物量的能源作物高粱等，為生物乙醇生產提供大量優(yōu)質原料具有重要意義。
　　高粱具有C4植物的高光合效率，抗逆性強，生長期短，適應性廣。即使在貧瘠、鹽堿、干旱土地上種植也有較高產量和

3、生物量。此外高梁基因組較小，有豐富的種質資源和生物信息學資源，又有大量EMS誘發(fā)的突變體，因此有必要選擇出其中的耐鹽堿種類進行深入研究、分析，培育出能在鹽堿地、旱地正常生長發(fā)育的能源高粱新品系，對大量黃/褐中脈突變體的研究，有利于從分子機理上了解木質素代謝的調控，為進一步通過基因工程改良能源高粱創(chuàng)造條件。
　　植物通過光合作用將絕大部分有機物轉化為細胞壁成分，其主要成分為纖維素、半纖維素、木質素。木質素的水解產物影響纖維素酶對纖維

4、素的水解效率，使纖維素轉化為乙醇的成本提高。因此有必要系統(tǒng)認識高粱木質素合成及其基因表達調控的分子機制，分離木質素合成調控的關鍵基因。多種作物黃/褐色中脈(bmr)突變體的木質素含量明顯降低，是研究木質素合成及調控的良好試驗材料。但是至今為止，僅對少數bmr突變體與木質素合成的關系有所了解，大多數的突變體還有待于進一步研究。
　　為了尋找耐鹽堿的高梁品種，本論文對美國農業(yè)部收集的高梁種質資源進行篩選，獲得抗鹽堿種質材料，為在鹽堿地

5、發(fā)展能源植物提供了有用的實驗材料;本論文同時通過抑制性差減(SSH)技術分別構建13種bmr突變體混合體與BTx623野生型對照的正、反向差減文庫;從正反向文庫中挑選cDNA片段制作基因芯片，分析其表達模式;根據基因的表達模式，從中篩選與木質素合成及調控相關的EST片段，并進一步克隆了部分差異表達基因;初步鑒定了這些基因的功能，為高粱及其它能源植物細胞壁成分的改良，培育低木質素的新種類提供了有益的線索。
　　具體研究內容及結果包括

6、:
　　1.高梁耐鹽性種質資源篩選
　　根據美國農業(yè)部植物研究服務署(USDA-ARS)種植資源系統(tǒng)(NationalPlantGermplasmSystem)所收集管理的高粱信息，我們在其收集的1200多份甜高粱中選取錘度大于10，蔗糖含量高于4的甜高粱717份，及四萬多份粒用高粱中高度大于2，5米，整齊度小于2.5的粒用高梁4222份，重新編號，進行大規(guī)模、高強度(150-200mmol/LNaCl)、長時間(25-40

7、天)的耐鹽性篩選。通過對甜高粱的兩輪耐鹽性篩選，共得到了耐鹽株系83個，移栽成活65個株系，其中46個株系收到種子;對普通高梁進行耐鹽堿篩選，并移種大田或花盆312個株系，大多數完成生活周期并獲得了種子。
　　在東營鹽堿地中播種了31種篩選得到的耐鹽甜高粱，結果表明堿地中甜高粱的出苗率略高于鹽堿地。但其總生物量差異不大，鹽堿地單株平均重量比堿地高。多數甜高粱在鹽堿地中的錘度高于堿地。不同甜高梁的單株種子產量在鹽堿地和堿地差異很大。

8、鹽堿地生長的甜高粱比同時播種在堿地的甜高梁提早成熟5-7天。
　　2.利用SSH和cDNA芯片技術分析bmr突變體和野生型高粱BTx623的表達差異
　　為了研究高粱bmr突變體細胞壁合成代謝及調控機制，我們用抑制性差減(SSH)文庫和cDNA芯片聯(lián)用的方式檢驗了bmr突變體和野生型高粱BTx623的差異表達基因。共得到153個差異表達基因，其中43個在bmr突變體中上調表達，110個基因在bmr突變體中表達受抑制。我們對其

9、中12個差異表達基因進行半定量RT-PCR驗證，結果證明了基因芯片數據是正確的。差異表達基因根據功能不同可分為11類:代謝、光合作用、遺傳信息的加工、脅迫響應、蛋白命運、信號轉導、轉運、木質素合成、細胞過程和移動性、發(fā)育和調節(jié)及其它，其中代謝類的差異表達基因數量最多。光合作用類別的17個差異表達基因中，16個在bmr突變體中的表達都受到抑制，這一點和部分bmr突變體生物量減少的表型相一致。結果，我們從高粱bmr突變體中找到了一批差異表達

10、基因，其中的CYP基因在bmr突變體中表達下調，這與bmr突變體中木質素含量降低一致;而木質素合成的苯基丙烷途徑中的一個C4H基因，在bmr突變體中表達上調，該結果可能預示高粱的三個C4H在合成細胞壁的過程中，其功能有所分化:MYB、NAC、Lim等轉錄因子的表達在bmr突變體和野生型中沒有明顯的差異，但卻發(fā)現(xiàn)bHLH轉錄因子在多個bmr突變體中明顯上調表達。本文進一步對這3個基因進行了結構、表達分析及功能的初步鑒定。
　　3.高

11、粱木質素合成代謝相關基因的功能鑒定
　　SbHLH的功能研究
　　SbHLH是13種bmr突變株系與野生型SSH篩選和芯片雜交后得到的表達上調最高的一個轉錄因子，該基因信號在芯片雜交結果中重復出現(xiàn)達6次之多，表明其可能是多種bmr突變體共有的一個調節(jié)信號。RT-PCR結果表明，7個bmr變體的葉片在7葉期該基因的表達也明顯上調。SbHLH在根、莖、葉中有不同的轉錄活性，在葉中表達量最高，莖中的表達量最低，這與該器官的木質化程

12、度有密切關系。在酵母菌中，全長SbHLH具有轉錄激活活性，表明它是一個轉錄因子;缺失N端低復雜性區(qū)時，即使HLH結構域完整存在也沒有轉錄活性，說明該低復雜性區(qū)對HLH結構域及轉錄激活功能的重要性;C端缺失不能影響其轉錄激活能力。通過該蛋白偶聯(lián)GFP，基因槍法轉化洋蔥表皮，結果表明該基因表達產物定位在細胞核。在擬南芥中過表達SbHLH后，轉基因擬南芥的表型在幼苗期沒有明顯變化，也能JT常完成的生長周期，但在后期由于莖伸長，過表達系比野生型

13、容易發(fā)生倒伏。6周齡的冰凍切片染色結果及木質素含量測定表明，過表達擬南芥莖的木質素含量比野生型和空載體對照明顯降低，木質素合成途徑和類黃酮/花青素合成途徑中部分相關基因的表達受到不同程度的抑制，如PAL1，4CL，CCR1，HCT，COMT，CHI，UGT等基因。因此，SbHLH很可能是苯基丙烷代謝途徑的轉錄抑制因子。
　　SbCYP功能研究
　　SbCYP基因在多個bmr突變體的7葉期中均呈現(xiàn)下調表達的趨勢;與之相反，該基

14、因在野生型高粱(BTx623)的5葉期到7葉期的表達呈上調趨勢。在擬南芥中過表達SbCYP后，轉基因擬南芥能完成正常的生長發(fā)育周期但在6周齡時的莖中，木質素含量和野生型擬南芥沒有明顯差異，不過在8周齡過表達的擬南芥株系莖中，木質素含量則明顯升高;同時部分木質素合成相關基因(PAL1，4CLI，CCoAOMT，CCRI等基岡)也被誘導表達，這些結果說明SbCYP參與了木質素的合成或調控。SbCYP的調控模式在bmr突變體與野生型高粱中明顯

15、不同，這可能是造成bmr突變體木質素含量降低的原因之一，也可能是受到其它上游基因(例如SbHLH)調控后出現(xiàn)的效應。
　　SbC4H功能研究
　　SbC4H基因在多個bmr突變體中都呈現(xiàn)出上調表達的趨勢。將SbC4H在擬南芥中過表達后，在6周齡的轉基因擬南芥，其莖中的木質素的含量較野生型明顯降低，同時SbC4H過表達擬南芥中的部分木質素合成相關基因(例如4CL1，4CL，F(xiàn)5H1)的表達受到一定的抑制。
　　總之，通過