论文部分内容阅读
水稻(Oryza sativa L.)是最重要的粮食作物之一,全球一半以上人口以水稻作为主粮。但水稻抗旱性差,水稻生产耗水量大,随着全球气候变暖,干旱、高温等极端环境气候对水稻生产造成了极大的威胁,因而研究水稻的抗旱性,培育节水抗旱稻尤为重要。尽管水稻抗旱性研究已经取得了重要进展,发现了一些抗旱基因,同时也培育了一些抗旱品种。但是水稻的抗旱性是复杂的数量性状,而且水稻有多种不同的抗旱策略,因而关于水稻的抗旱性仍然有很多未解之谜待我们去探索。本研究尝试两种不同研究方法去发现一些新的水稻抗旱基因和探讨水稻的耐旱机制:一、通过对水稻微核心种质和节水抗旱核心资源的全基因组关联分析,发掘水稻种质资源中存在的抗旱性位点;二、利用转录组学和代谢组学相结合的方法探讨水稻的耐旱机制。主要研究结果如下:1.对270份种质资源进行抗旱性鉴定,发现水稻的株高、生物量、单株产量、穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、结实率、每穗颖花数、叶长、叶宽等表型性状都显著或极显著受到干旱胁迫的抑制,干旱胁迫使抽穗期极显著延迟,而叶绿素含量(SPAD值)则是受到干旱胁迫诱导上升。2.分别采用土壤水分梯度鉴定法、桶栽试验法、“篮子”实验法对14份综合抗旱性较好的水稻品种进行复原抗旱性、耐旱性和避旱性鉴定,发现6个品种属于避旱品种,3个品种属于耐旱品种,1个品种属于复原抗旱品种,2个粳稻品种同时具有较高的耐旱性和避旱性,2个籼稻品种同时具有避旱性、耐旱性、复原抗旱性。粳型旱稻品种IAC1246的综合抗旱性、避旱性与粳型旱稻品种IRAT109接近,但是耐旱性极显著强于IRAT109。因而IAC1246既可以作为水稻耐旱性研究的遗传材料,也可以作为水稻耐旱性改良的亲本。3.通过全基因组关联分析定位到sd1、GH3-2、Os GA2ox3、Os SAP11/Os DOG、Os GNA1、Os CYP51G3、Os RRMh、Os PYL2、Os GA2ox9等控制株高、抗旱性的已知功能基因,在抗旱系数关联位点附近发现了28个可能参与抗旱的候选基因,其中,Os PYL2、Os GA2ox9与抗旱性或者根系发育有关。本研究对候选基因Os RLK5进行了基因敲除,突变体的失水速率更快;在干旱条件下,突变体的结实率、产量等相关性状都显著或者极显著低于野生型。4.IAC1246具有更强的渗透调节能力和抗氧化能力,在干旱胁迫条件下枯死叶率极显著低于IRAT109,相对光合速率(旱/水)高于IRAT109,因而在干旱条件下形成较高的产量。通过转录组分析发现IRAT109水/旱处理间的差异基因数量多于IAC1246,而且二者共有的差异基因只占少部分。KEGG富集分析表明,在严重干旱胁迫期间,IRAT109的差异基因被显著富集在糖代谢和氨基酸代谢通路;而IAC1246的差异基因被显著富集在谷胱甘肽代谢、黄酮和类黄酮合成代谢、抗坏血酸代谢、类胡萝卜素代谢等抗氧化相关代谢通路。GO富集分析表明,不同时期IRAT109的差异基因都能被显著富集到水通道活性相关基因,而IAC1246在任何时期的差异基因都不能富集这一GO分类。表明在干旱胁迫期间IAC1246通过提高抗氧化能力来应对干旱胁迫,而IRAT109则通过调节水分运输来应对干旱胁迫。5.与光合作用相关的差异基因在两个品种中存在明显不同的调控模式。在干旱胁迫早期(Period I)绝大部分光合作用相关的差异基因在IAC1246中呈上调表达趋势,而在IRAT109中呈下降表达趋势。而且叶绿体基因在IAC1246和IRAT109中也呈现出类似于光合作用相关的差异基因的表达模式。6.在IRAT109中检测到的差异代谢物多于IAC1246,共有的差异代谢物仅有9个,而且相同差异代谢物在不同品种中含量变化模式不同。特别是阿魏酸(光合保护剂)和4-羟基肉桂酸的含量在IAC1246中受到干旱胁迫而被诱导上升最为明显,而在IRAT109中的含量变化不大。