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小麦幼苗水分利用效率生理差异与相关基因的CDNA-AFLP分析

标题: 小麦幼苗水分利用效率生理差异与相关基因的CDNA-AFLP分析
作者: 郭秀林
出版时间: 2006-01-01
所在大学: 河北农业大学
关键词: 小麦,水分利用效率,生理基础,基因表达
论文级别: 博士
学位: 学位论文
导师: 李广敏%王冬梅
专业: 作物遗传育种
提交时间: 2006
摘要: 水分亏缺是粮食生产的主要限制因素之一。小麦是主要粮食作物,其抗旱节水性受到国内外的高度重视。研究认为,培育高水分利用效率的作物对于节水和产量提高皆为有效的策略。作物的水分利用效率(WUE)是受多基因控制的数量性状,同时受到多种外界环境因素的影响,因此要选择最适的WUE控制性状以及生理基础相对较难。尽管如此,作物的WUE因其将水分和产量相结合这一优势,目前仍然作为抗旱筛选的首选指标之一。但是,不同种植条件、不同作物品种间高WUE的机制并非一致,影响WUE的主因子也不尽相同。因此,对WUE生理机理的研究尤为重要。近年来的研究表明,作物的WUE是可遗传的性状,通过QTL在小麦上也找到了控制高WUE的位点。同时,通过导入控制高光合或低蒸腾的基因,实现了小麦的高WUE。目前能够克隆到的控制高WUE的基因相对很少,可以用于转基因的有效基因就更加缺乏。为此,本研究以旱地小麦西峰20、水地小麦石4185和水旱兼用旱优118三个品种为试材,首先对渗透胁迫条件下影响小麦苗期WUE的生理基础差异进行了比较研究,同时采用cDNA-AFLP技术,对渗透胁迫诱导差异表达基因进行了分离和克隆。实验结果如下:不同水旱地小麦品种叶片和单株的水分利用效率不同。首先表现在:正常条件下,水地品种4185的光合速率高于旱地品种西峰20,而蒸腾速率和气孔导度低于旱地品种,因而正常条件下水分利用效率较高;随着渗透胁迫处理,水地品种4185和水旱兼用小麦旱优118的光合速率降低幅度大于旱地品种西峰20,因而叶片水分利用效率随胁迫处理呈显著降低趋势;而旱地品种西峰20叶片水分利用效率随胁迫处理不但不降低,反而稍有升高;其次:不同品种叶片离体失水速率不同,胁迫前期旱地小麦失水大于水地和水旱兼用品种;同时:正常条件下,不同品种叶片和根系渗透势不同,渗透胁迫后都随表现出上升的趋势,但不同品种之间变化规律不一致。 不同水分利用效率的品种,其抗旱方式存在着差异:正常浇水条件下,水地品种因其较高的水分利用效率而高产,而旱地小麦靠较大的蒸腾拉力吸收有限水分;在遭受干旱胁迫后,水地品种最大限度地关闭气孔减小蒸腾,而旱地品种仍然通过较大的蒸腾拉力吸收水分以维持生命。相比较而言,水地品种具有较强的抗旱性,而旱地品种耐旱性更强。从生理性状的变化趋势发现,水旱兼用小麦旱优118更类似于水地小麦4185。 采用cDNA-AFLP(cDNA-amplifiedfragmentlengthpolymorphism)技术,分析了渗透胁迫后不同时间间隔内小麦叶片基因表达的差异,并对相关基因进行了分离和克隆。结果表明,不同品种不同胁迫时期基因表达明显不同。通过180对引物共扩增出453条差异带,选取其中12个差异条带,经Northernblotting扣除假阳性后,对片段进行序列测定。经Internet进行Blast比较和功能查询发现,其中7个基因片段与巳知基因具有较高的同源性,其中包括与水稻染色体11上参与抗病反应的转座子相关蛋白、与水解酶有关的蛋白以及与α、β-淀粉酶有关的蛋白等,这些基因不同程度地参与了植物体内生长发育、代谢调节及逆境胁迫过程,属于广谱性的调节因子;2个片段与来自于不同小麦品种的基因片段具有同源性,但功能未知,推测其为调控因子。另外3个片段与巳知基因同源性较低或未发现同源性,可能是未知基因,在GenBank中注册。选取其中2条片段在根系中进行扩增,发现它们在渗透胁迫的根系中也能表达。对其进行初步的全长克隆发现,两个片段的5''末端长度分别为大约为700bp和600bp左右,3''末端较短。