我国拥有大量的盐碱化土地,土地盐碱化严重影响着作物的正常生长与产量形成。因此,充分挖掘作物适应盐碱环境的调控基因并解析其作用机理,将有助于选育耐盐的作物品种,以充分利用盐碱化土地、提高作物总产量,进而保障国家的粮食安全。
我们实验室前期发现,OsGPRP3很可能参与调节水稻的耐盐性,但有待实验证实。本论文在实验室前期工作基础上,经分子鉴定,确定了可用于后续试验的3种OsGPRP3敲除突变水稻,重点分析了盐胁迫下OsGPRP3敲除突变水稻的种子萌发、幼苗生长、生殖生长以及相关的生理生化变化,并通过转录组测序等方法,初步解析了盐胁迫下OsGPRP3参与调节水稻生长发育可能涉及的代谢途径。获得的主要结果如下:
1.确定了3种可用于后续试验的OsGPRP3敲除突变体
对实验室前期创建的OsGPRP3敲除突变体水稻进行了分子鉴定,确定了3种可用于后续试验的无外源T-DNA插入、无脱靶效应的OsGPRP3纯合敲除突变体水稻,分别命名为K3-1（-103nt）、K3-2（-G）和K3-3（-AG）。
2.盐胁迫下OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的种子萌发过程
盐胁迫下的种子萌发实验结果显示,OsGPRP3敲除突变显著降低了水稻的种子萌发率和萌发指数。其中,与0 m M Na Cl处理相比,85 m M Na Cl处理72小时的时候,野生型水稻的种子萌发率降低了13.1%,3个OsGPRP3突变体的种子萌发率分别降低了77.6%、62.3%和64.9%。
3.盐胁迫下OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的早期幼苗生长
盐胁迫下的水稻早期幼苗生长实验结果表明,OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻早期幼苗的成苗率、株高、根长、鲜物质重、干物质重和存活率等。其中,对培养14天的水稻幼苗进行0 m M Na Cl和150 m M Na Cl处理7天和恢复7天的实验结果表明:野生型水稻的幼苗存活率高达88.5%,而OsGPRP3突变体的幼苗存活率分别为53.3%、66.7%和38.9%。
4.盐胁迫下OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的生殖生长
孕穗初期至成熟期的盐胁迫实验结果表明,OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的生长生殖,包括成熟期水稻的穗数、结实率、粒形、粒重和单株产量等。其中,与0 m M Na Cl处理相比,80 m M Na Cl和120 m M Na Cl处理下:ZH11的穗数分别减少了0%和0.9%,K3-1的穗数分别减少了21.9%和37.5%;ZH11的千粒重分别下降了0.1%和3.5%,K3-1的千粒重分别下降了3.0%和5.2%;ZH11的结实率分别减少了0.2%和5.3%,K3-1结实率分别下降了5.6%和12.2%;ZH11的单株产量分别减少了1.1%和9.1%,K3-1的单株产量分别减少了15.2%和24.8%。
5.盐胁迫下OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的抗氧化酶系统
盐胁迫下的生理生化分析表明,OsGPRP3敲除突变显著影响了水稻的抗氧化酶系统等。其中,与野生型相比:85 m M Na Cl处理下萌发3天的OsGPRP3敲除突变体种子中的H2O2含量显著上升,而CAT含量和SOD含量则显著下降;14天的水稻幼苗进行150 m M Na Cl处理3天时,OsGPRP3敲除突变体幼苗中的H2O2和MDA含量显著升高,而CAT、POD和SOD含量则显著降低。
***3影响水稻耐盐性所涉及的代谢途径分析
转录组测序结果显示,盐胁迫下:K3-1与ZH11之间的差异表达基因共88个,其中47个上调表达,41个下调表达;这些差异表达基因主要与氨基酸代谢过程、代谢酶的合成、过氧化氢合成、活性氧合成等有关,涉及脂肪酸延伸、植物激素信号转导、嘧啶代谢和嘌呤代谢等;q RT-PCR验证了部分水稻耐盐相关的差异表达基因OsEn S-107、OsLEA24、OsUGT74J3和OsDj C45等。
上述结果表明,OsGPRP3敲除突变导致水稻体内的一些抗氧化酶活性或其他耐盐性相关的调控基因的表达水平发生了改变,进而降低了水稻的耐盐性,影响了水稻的生长发育。为深入探究盐胁迫下OsGPRP3影响水稻生长发育的分子机理奠定了基础。
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