[01006846]甜高粱耐逆生理及分子调控机制
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技术详细介绍
甜高粱是最适合在盐碱地上生长的高产耐盐饲用作物之一。甜高粱基因组中含有许多适应胁迫相关的独特基因,克隆并鉴定这些特异优良基因可用于甜高粱自身以及其它作物的遗传改造,对于指导盐渍环境中作物的生长和发育具有重要的意义。该项目利用分子生物学、遗传学、生理生化及转录组等技术,对甜高粱响应逆境的分子机制进行了深入探讨。主要研究成果如下:
1.解析了盐胁迫下抗盐甜高粱含糖量增加的机理:以从国内外收集的300个甜高粱种质以及17个甜高粱自交系为材料,通过萌发期、幼苗期及田间各生育期的耐盐性实验,筛选到一个抗盐自交系M-81E和一个盐敏感自交系Roma。对两个自交系盐胁迫处理前后叶片的RNA进行转录组测序,基因注释结果表明,M-81E和Roma在盐胁迫下的差异表达基因主要集中在光能的捕获和吸收、光合作用、碳固定和蔗糖代谢三个代谢通路。甜高粱茎秆中的糖主要是蔗糖,抗盐自交系M-81E通过改变与光合结构,捕光色素复合体以及蔗糖合成相关基因的表达,增加盐胁迫下的含糖量。其中NADP型苹果酸酶(NADP-ME)起到重要调控作用。该部分工作为甜高粱光合性状改良及品质改善奠定了基础。
2.解析了甜高粱根系的拒盐机理:甜高粱具有较强的抗盐能力,主要表现为根系较强的拒Na+能力。抗盐自交系M-81E的根系具有较强的限制Na+、促进K+运输的能力。对两个自交系盐胁迫处理前后根的RNA进行转录组测序,基因注释结果表明,Na+通过质外体和共质体途径运输到根部,质外体屏障可阻断或限制Na+进入内胚层,启动一些转录因子如NAC,bHLH,MYB的表达,进而激活编码木栓质和木质素单体合成酶基因的表达,增强凯式带和木栓质薄片的形成;Na+可以通过NHX转运到液泡,或者通过HKT1从木质部汁液卸载以限制Na+运输到芽。在盐胁迫下,耐盐甜高粱M-81E具有更好的限制Na+从根到芽的转运的能力,这可能是离子转运蛋白和质外体屏障共同作用的结果。
3.获得甜高粱突变体材料:以抗盐自交系M-81E为材料,通过实验确定EMS处理的浓度,对甜高粱种子进行处理,获得2万株甜高粱突变体,为抗盐性状的筛选、抗盐基因的分离以及抗盐甜高粱新种质的培育奠定了基础。
4.创建了适合黄河三角洲盐碱地甜高粱种植的栽培技术规程:研究了盐胁迫对甜高粱生长的影响并建立了盐碱地甜高粱配套栽培技术,为打造黄河三角洲生态农业示范区提供耐盐种质资源。2018年获得山东省科技进步三等奖(耐盐碱甜高粱新品种培育及简化高效栽培技术)。这为科技成果推广应用奠定了基础。
上述成果发表学术论文30余篇,山东省优秀博(硕)士学位论文2篇。据不完全统计,论文被他人引用300余次,包括被Plant Cell and Environment、Plant Science、Plant Molecular Biology等国际著名学术刊物的多次引用。研究结果在国内外产生重大影响,先后应邀为Trends in Plant Science,Annals of Botany,Plant Signaling & Behavior等国际杂志撰写综述。
甜高粱是最适合在盐碱地上生长的高产耐盐饲用作物之一。甜高粱基因组中含有许多适应胁迫相关的独特基因,克隆并鉴定这些特异优良基因可用于甜高粱自身以及其它作物的遗传改造,对于指导盐渍环境中作物的生长和发育具有重要的意义。该项目利用分子生物学、遗传学、生理生化及转录组等技术,对甜高粱响应逆境的分子机制进行了深入探讨。主要研究成果如下:
1.解析了盐胁迫下抗盐甜高粱含糖量增加的机理:以从国内外收集的300个甜高粱种质以及17个甜高粱自交系为材料,通过萌发期、幼苗期及田间各生育期的耐盐性实验,筛选到一个抗盐自交系M-81E和一个盐敏感自交系Roma。对两个自交系盐胁迫处理前后叶片的RNA进行转录组测序,基因注释结果表明,M-81E和Roma在盐胁迫下的差异表达基因主要集中在光能的捕获和吸收、光合作用、碳固定和蔗糖代谢三个代谢通路。甜高粱茎秆中的糖主要是蔗糖,抗盐自交系M-81E通过改变与光合结构,捕光色素复合体以及蔗糖合成相关基因的表达,增加盐胁迫下的含糖量。其中NADP型苹果酸酶(NADP-ME)起到重要调控作用。该部分工作为甜高粱光合性状改良及品质改善奠定了基础。
2.解析了甜高粱根系的拒盐机理:甜高粱具有较强的抗盐能力,主要表现为根系较强的拒Na+能力。抗盐自交系M-81E的根系具有较强的限制Na+、促进K+运输的能力。对两个自交系盐胁迫处理前后根的RNA进行转录组测序,基因注释结果表明,Na+通过质外体和共质体途径运输到根部,质外体屏障可阻断或限制Na+进入内胚层,启动一些转录因子如NAC,bHLH,MYB的表达,进而激活编码木栓质和木质素单体合成酶基因的表达,增强凯式带和木栓质薄片的形成;Na+可以通过NHX转运到液泡,或者通过HKT1从木质部汁液卸载以限制Na+运输到芽。在盐胁迫下,耐盐甜高粱M-81E具有更好的限制Na+从根到芽的转运的能力,这可能是离子转运蛋白和质外体屏障共同作用的结果。
3.获得甜高粱突变体材料:以抗盐自交系M-81E为材料,通过实验确定EMS处理的浓度,对甜高粱种子进行处理,获得2万株甜高粱突变体,为抗盐性状的筛选、抗盐基因的分离以及抗盐甜高粱新种质的培育奠定了基础。
4.创建了适合黄河三角洲盐碱地甜高粱种植的栽培技术规程:研究了盐胁迫对甜高粱生长的影响并建立了盐碱地甜高粱配套栽培技术,为打造黄河三角洲生态农业示范区提供耐盐种质资源。2018年获得山东省科技进步三等奖(耐盐碱甜高粱新品种培育及简化高效栽培技术)。这为科技成果推广应用奠定了基础。
上述成果发表学术论文30余篇,山东省优秀博(硕)士学位论文2篇。据不完全统计,论文被他人引用300余次,包括被Plant Cell and Environment、Plant Science、Plant Molecular Biology等国际著名学术刊物的多次引用。研究结果在国内外产生重大影响,先后应邀为Trends in Plant Science,Annals of Botany,Plant Signaling & Behavior等国际杂志撰写综述。