基本信息
- 项目名称：
- 硅及其吸收基因调节水稻耐UV-B辐射的机制研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究以UV-B耐性水稻Lemont和UV-B敏感水稻Dular为材料，研究硅与水稻耐UV-B辐射的关系。分别抑制、增强Lemont水稻的硅吸收基因（lsi1）、增强Dular水稻的lsi1基因，用抑制消减杂交(SSH)分析UV-B辐射下不同转基因水稻的差异表达基因。初步揭示lsi1基因调节水稻耐UV-B辐射的分子作用网络。结果表明调节水稻硅营养及lsi1基因表达能改变水稻耐UV-B辐射的能力。
- 详细介绍：
- 硅能提高植物对生物和非生物胁迫的抗性，水稻是吸收硅较多的作物之一。本研究以UV-B耐性水稻Lemont和UV-B敏感水稻Dular为材料，研究硅与水稻耐UV-B辐射的关系。结果发现，自然光照条件下，缺硅培养的Lemont和 Dular水稻叶片的苯丙氨酸解氨酶(Phenylalanine ammonia lyase, PAL)和光裂解酶(Photolyase, PL)基因的表达以及总酚、类黄酮的含量都分别低于加硅的培养条件；UV-B辐射后，上述指标在不同硅处理的两水稻中都增加和增强，但缺硅培养的水稻仍显著低于加硅培养的水稻，说明硅营养能够调节水稻耐UV-B辐射的能力。分析上述两种水稻的硅吸收能力及lsi1基因的表达，结果发现Lemont的硅吸收能力及lsi1基因的表达均强于Dular。因此，进一步分别抑制、增强Lemont水稻的lsi1 基因，以及增强Dular水稻的lsi1基因，采用加硅培养的方式对转基因水稻的上述指标进行研究，结果也发现，抑制水稻lsi1基因表达，其叶片PAL、PL基因表达也下调，总酚、类黄酮含量降低，此结果与缺硅培养下的野生型植株相似；增强表达lsi1基因则结果相反。UV-B辐射后，上述指标也增强和增加，但在相同的水稻品种中仍表现为lsi1被抑制的植株最低，lsi1增强的植株最高。在此基础上，运用抑制消减杂交(SSH)技术分别分析UV-B辐射下不同转基因水稻较各自野生型植株的差异表达基因，结果显示，UV-B辐射下，lsi1 RNAi转基因水稻中的逆境响应、系统解毒、光合作用、次生代谢、细胞生长、分子修复、信号转导等相关基因较相同处理条件下的野生型植株均下调表达，而这些基因在lsi1过量表达的转基因水稻中的表达都高于野生型植株，从而初步揭示了lsi1基因调节水稻抗UV-B辐射的分子作用网络。上述结果表明通过调节水稻硅营养及其lsi1基因表达能够改变水稻耐UV-B辐射的能力。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 因氟氯烃等排放物破坏臭氧层所导致的UV-B辐射增强严重影响水稻等农作物的生长发育。本研究从分子生理角度出发，研究硅营养及其吸收基因对水稻耐UV-B的调节机制，为运用分子育种技术提高水稻耐UV-B能力提供依据。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究采用正、反向遗传学相结合的研究方法，利用RNAi、Overexpression及SSH技术深入揭示硅营养与水稻耐UV-B的关系；研究材料为同一水稻品系，避免了不同水稻品系之间因遗传多样性导致的差异，研究结果能够更加明确地阐析目的基因的功能，并获得具有栽培价值的水稻材料。
应用价值和现实意义
- 本研究从营养分子生理角度，揭示硅营养及其吸收基因调节水稻耐UV-B辐射的有效性，能够为农业生产过程中采用栽培调控提高水稻耐UV-B辐射，以及耐UV-B辐射水稻的分子育种提供理论依据。
学术论文摘要
- 硅能提高植物对胁迫的抗性，水稻是吸收硅较多的作物，其以根系Low silicon rice gene1(Lsi1)编码的类NOD26通道蛋白为转运载体来吸收硅。本研究以UV-B耐性水稻Lemont和UV-B敏感水稻Dular为材料，研究硅与水稻耐UV-B辐射的关系。结果发现硅营养及其吸收基因能够调节水稻耐UV-B辐射能力。分析上述两种水稻的硅吸收能力及lsi1基因的表达，结果发现Lemont的硅吸收能力及lsi1基因表达均强于Dular。因此，分别抑制、增强Lemont水稻的lsi1 基因，增强Dular水稻的lsi1基因，同时运用抑制消减杂交(SSH)技术分析UV-B辐射下不同转基因水稻较各自野生型植株的差异表达基因。结果显示，UV-B辐射下，lsi1 RNAi转基因水稻中的逆境响应、系统解毒、光合作用、次生代谢、细胞生长、分子修复、信号转导等相关基因较野生型植株均下调表达，而这些基因在lsi1过量表达的转基因水稻中的表达都高于野生型植株，初步揭示了lsi1基因调节水稻抗UV-B辐射的分子作用网络。上述结果表明通过调节水稻硅营养及其lsi1基因表达能够改变水稻耐UV-B辐射的能力。
获奖情况
- 1 Fang CX(指导老师)，Wang QS（王清水，共同第一作者），YuY, ...Lin WX(指导老师，通讯作者）Suppression and overexpression of Lsi1 induce differential gene expression in rice under ultraviolet radiation.Plant Growth Regulation，2011，DOI:10.1007/s10725-011-9569-y
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1]Ma J F. Role of silicon in enhancing the resistance of plants to biotic and abiotic stresses. Soil Sci Plant Nutr, 2004, 50: 11–18 [2]Ma J F, Yamaji N. Silicon uptake and accumulation in higher plants. Trends Plant Sci, 2006, 11: 392–397 [3]Ma J F, Tamai K, Yamaji N, Mitani N, Konishi S, Katsuhara M, Ishiguro M, Murata Y, Yano M. A silicon transporter in rice. Nature, 2006, 440: 688–691 [4]Fang C X, Wu X C, Zhang H L, Jun X, Wu W X, LinW X. UV-induced differential gene expression in rice cultivars analyzed by SSH. Plant Growth Regul, 2009, 59: 245–253
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外的研究主要集中在揭示UV-B辐射下，水稻的分子响应机制，如Du等（2011）通过生理学特性、蛋白质组学、荧光定量PCR研究水稻叶片响应UV-B辐射的蛋白，结果发现在UV-B辐射条件下会使水稻叶片光合作用受到抑制、叶片有明显的伤害，同时水稻叶片的植物生长素相关蛋白（脱落酸、乙烯等）表达量上调，还有在UV-B辐射下水稻会通过调节抗氧化、保卫、蛋白合成、RNA合成、新陈代谢等相关蛋白的表达来提高水稻本身的防卫能力;Wu等（2011）通过差异蛋白质组学技术研究不同耐性水稻对UV-B辐射的响应差异，结果发现UV-B辐射下耐性水稻上调的抗性相关蛋白的种类较敏感水稻多。Takahashi（2011）研究发现水稻不仅可以通过光聚合酶（CPD)来修复核受损DNA,同时可能可以通过修复线粒体、叶绿体受损的DNA来保护细胞免受UV-B辐射的伤害。Sasaki （2010）研究发现水稻细胞色素P450 (osCYP84A)在UV-B辐射下表达量上升，同时细胞色素P450 (osCYP84A)沉默植株在UV-B辐射下有明显的伤害。预示着细胞色素P450 (osCYP84A)可能参与水稻防御UV-B辐射的过程。而对于如何通过现代生物技术提高水稻耐UV-B辐射的报道尚未多见。本研究通过揭示硅及其吸收基因（Lsi1)调节水稻耐UV-B辐射的机制，为农业生产过程中采用栽培调控提高水稻耐UV-B辐射，以及耐UV-B辐射水稻的分子育种提供理论基础。
