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植物生长在不断变化的自然环境中,经常遭受非生物逆境以及生物逆境的影响。然而,植物在与环境相互作用的长期过程中逐渐演化出一系列的应对外界不利环境的复杂机制。深入研究植物逆境响应的分子机理,挖掘其中重要的功能基因,对于农作物的遗传改良和产量提高无疑具有重要意义。糖基转移酶被认为是控制细胞代谢平衡的关键因子,该酶所催化的植物分子糖基化修饰在代谢途径的适应性改变与新平衡的达成等方面发挥关键性作用,因此糖基转移酶对于调控植物的生长发育以及植物对环境的适应性至关重要,其功能研究一直受到人们的关注。该论文以水稻作为实验材料,研究了两个糖基转移酶基因在植物适应高温胁迫和干旱胁迫中的功能作用,分析了其中的作用机理。同时该论文还对植物参与抗病反应的一个激酶基因进行了部分研究。主要研究内容和结果如下:1.水稻糖基转移酶基因IAGT1通过生长素途径调控发育和高温胁迫响应生长素是一种调控植物生长和发育的重要激素,它的糖基化是调控生长素内稳态的重要的机制之一。在拟南芥中生长素的糖基化被广泛研究,然而在水稻中相关的生长素葡萄糖基转移酶知之甚少。本研究首先检测了水稻糖基转移酶基因IAGT1编码产物对生长素IAA的催化活性,通过HPLC和LC-MS检测发现,无论是在体外还是在植物体内,糖基转移酶IAGT1均能够催化生长素IAA的葡萄糖基化,并且IAGT1基因受外源IAA和IBA的诱导。为了研究IAGT1基因的功能,分析了该基因的过表达体和突变体的生长表型以及生长素变化。尽管突变体可能由于功能冗余,与野生型水稻相比没有出现表型和生长素含量的变化,但是发现过表达IAGT1株系的根长芽长和株高均低于野生型。通过检测发现,过表达株系中IAA的糖基化产物IAA-Glc积累,IAA含量减少,同时伴随生长素响应基因的表达水平下调。实验中观察到生长素合成基因在过表达体中的表达水平上调,这可能是一种反馈调节的结果。这些结果说明IAGT1能够通过影响水稻的生长素稳态调控其生长发育。进一步地,分析了 IAGT1基因的启动子元件和它的上游调控因子。通过酵母单杂交和双荧光素酶报告实验检测,发现热激转录因子OsHSFA2d可以结合到IAGT1的启动子上,并负调控IAGT1的表达。这一调控关系也得到了 ChIP实验以及oshsfa2d突变体的证明。考虑到OsHSFA2d是一个热激转录因子,在高温响应中起正调控作用,于是对IAGT1的过表达体和突变体进行了高温胁迫实验。当置于42℃高温处理以后,虽然突变体表现与WT差异不大,但是过表达株系表现出比WT对高温更加敏感的表型,并且伴随着离子渗透率和ROS积累增加等生理学变化。通过qRT-PCR检测发现,高温响应的一些标志基因的转录水平在过表达株系中明显下调。检测了转基因株系在高温处理后IAA-Glc的变化,发现过表达株系中的IAA-Glc的积累较WT增加,生长素响应基因ARFs在过表达株系的表达水平比WT降低。以上结果说明IAGT1通过生长素途径在高温胁迫响应中发挥重要作用。综上说明,水稻IAGT1作为生长素的糖基转移酶,不仅通过介导生长素稳态调控水稻的生长发育,而且还通过与OsHSFA2d的互作参与了水稻的高温胁迫响应。这一发现为理解水稻的生长发育调控以及高温胁迫响应机制提供了新的视角。2.水稻糖基转移酶基因UGT85E1通过脱落酸途径参与干旱胁迫响应干旱是影响植物生长发育最重要的环境制约因素之一,并最终导致作物减产。本文在发现水稻糖基转移酶基因UGT85E1能够被渗透胁迫和ABA诱导表达的基础上,对该基因参与的耐旱胁迫响应进行了研究。首先克隆该基因,构建其过表达载体,通过遗传转化获得了高表达的纯合株系。同时,通过CRISPR/Cas9技术获得了该基因的纯合突变体。对突变体和过表达体进行了渗透胁迫和干旱胁迫的表型分析。发现在甘露醇处理以后,UGT85E1突变体表现出比WT对渗透胁迫更加敏感的表型,而两个过表达株系的长势优于WT,存活率的统计与表型一致。当对土壤培养的水稻苗进行自然干旱处理以后,同样发现了UGT85E1突变体更加敏感的表型,而过表达体对干旱的抗性增强。这些结果说明UGT85E1基因参与了水稻对干旱胁迫的响应,并且正调控水稻的抗旱性。通过扫描电镜观察了突变体和过表达体叶片气孔的开闭,发现干旱处理后过表达株系的气孔闭合数量和闭合程度远超过野生型,而突变体则相反。而且离体失水率的检测表明过表达株系失水较慢,而突变体失水较快。说明过表达UGT85E1可促进干旱条件下的气孔闭合,保护植物叶片水分免遭损失。通过检测内源ABA含量,发现UGT85E1的过表达体在干旱处理后比WT积累了更多的ABA,而突变体中ABA含量明显减少。在过表达株系和突变体中ABA合成和信号基因的表达水平与其含量变化相一致。检测了渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖的含量,发现过表达株系中的脯氨酸和可溶性糖含量明显高于野生型,而突变体的则低于野生型。通过DAB染色发现过表达株系中H2O2较少,突变体积累较多,而且清除ROS的酶类的转录水平在过表达株系中明显升高,突变体中较低。此外,利用外源H2O2和MV处理转基因株系的离体叶片,发现突变体叶片黄化严重,叶绿素含量下降明显,而过表达株系持绿较好。说明过表达UGT85E1提高了水稻的抗氧化能力。对转基因株系中干旱响应基因OsRAB16、OsRAB21、OsDREB2B以及OsDREB1A的转录水平进行检测,发现这些基因在过表达株系中的表达较野生型高,而在突变体中则低于野生型。以上数据说明UGT85E1基因通过影响ABA合成,参与了水稻的干旱胁迫响应,并在其中起着正调控作用。将UGT85E1转化进拟南芥,获得高表达株系后对UGT85E1的功能进行了进一步验证。发现在干旱处理条件下,转基因拟南芥的存活率、叶片离体失水率、ROS积累和耐旱相关基因的转录水平等方面,均表现出明显的耐旱性。以上结果表明,水稻UGT85E1基因在介导植物对干旱的适应性反应中发挥着积极的正调控作用。这一研究为双子叶和单子叶植物的抗旱性育种提供了一个候选基因。