水稻应对高温胁迫的生理基础及苯丙烷代谢途径关键基因的功能研究

作     者：汪胜勇 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁双成;吴中华

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：水稻 高温 减数分裂期 苯丙烷代谢 突变体 

摘      要：苯丙烷代谢是植物最重要的次生代谢途径之一,产生类黄酮和木质素两类最主要的分支代谢产物。已有研究报道,苯丙烷代谢途径调控类黄酮和木质素水平,影响作物耐热性。目前,关于其如何调控的生理分子基础并不清楚。为此,本研究通过分析高温如何影响苯丙烷代谢关键酶和代谢产物,以及其与育性指标之间的关系,明晰苯丙烷代谢调控耐热性的生理基础,并进一步探究了涉及类黄酮和木质素合成的5个关键基因在水稻高温胁迫响应中的功能,为解析苯丙烷代谢途径调控水稻耐热性的分子机制奠定基础。具体结果如下:1、以前期筛选的4份抗性材料N22、GLA15、SDWG005、QLY681和四份敏感材料LYP9、YLY900、YLY1、MH101为水稻试验品种,在减数分裂期设置常温(CK)和高温(HT)处理。HT显著降低水稻花粉活力和颖花受精率,SDWG005降幅分别为8.0%和7.9%,而MH101降幅最大,分别达到39.4%和63.5%。HT显著增加颖花中肉桂酸-4-羟化酶和4-香豆酸辅酶A连接酶活性,以及木质素、总黄酮和总酚的含量,且抗性品种增幅高于敏感性品种。相关性分析表明,HT下花粉活力与木质素含量强相关,而木质素含量与总黄酮含量强相关。高温下木质素积累水平低,总黄酮含量较低,可能是敏感性品种高温受害的一个重要因素。2、极端抗感品种SDWG005和MH101高温下的苯丙烷代谢响应水平存在显著差异,SDWG005小穗黄酮和木质素相比MH101受高温显著诱导积累。进一步分析显示,HT下SDWG005能够增加或维持不同形态过氧化物酶活性,具有较高抗氧化酶活性,HO和丙二醛含量积累量少。HT下SDWG005颖花中淀粉积累水平更高,酸性转化酶、蔗糖合酶及ATPase基因的表达量显著增加。结果表明,苯丙烷代谢通过调节抗氧化酶活性,影响蔗糖代谢和能量产生效率,增强耐热性。3、qPCR结果表明,OsCHS1、OsF3H、Os CCR14和Os CCR17受高温和激素诱导上调表达。亚细胞定位结果表明,Os CCR14和Os CCR17蛋白主要定位于水稻细胞质和细胞核中。与野生型中花11相比,苗期高温处理下,oschs1、osdfr、osccr14和osccr17叶片干枯严重,绿色叶面积小,存活率显著低于野生型中花11;在生育期,oschs1花药ROS水平显著增加,导致严重败育,显著降低CK和HT处理下颖花受精率;HT处理下osf3h、osdfr和osccr17的花药ROS水平显著增加,降低了osdfr的花粉活力、osf3h的颖花受精率、osccr17的花粉活力和颖花受精率,而osccr14的花药ROS水平、花粉活力和颖花受精率与中花11均无显著差异。PAL、C4H和4CL酶活性测定结果暗示,Os CHS1、Os F3H、Os DFR、Os CCR14和Os CCR17基因突变干扰了颖花中苯丙烷代谢途径对高温胁迫的响应。Os CCR14和Os CCR17过表达转基因拟南芥,增加了植物的耐热性。以上结果表明,Os CHS1、Os F3H、Os DFR和OsCCR17参与调控水稻耐热性。