通过促进根系生长发育来创制抗旱玉米新种质材料

【作者】 吴忠义； 张中保； 李向龙； 韩猛； 邹华文； 黄丛林； 魏建华；

【机构】 北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心； 主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心长江大学农学院；

【摘要】 植物根系是吸收水分和营养离子的重要器官,健壮的根系可以极大提高植物对水分的吸收特别是干旱条件下土壤深层水分的吸收,在叶片蒸腾速率不变的情况下,来实现植物抗旱性的提高。细胞分裂素是调节植物根系生长发育的重要激素,较高浓度的细胞分裂素能够抑制根系的伸长和分支(Carry et al.1995),相反细胞分裂素一定程度上的减少可以促使植物形成庞大的根系。CKX(细胞分裂素氧化酶)可以特异的降解CTK(细胞分裂素)的类异戊二烯侧链的不饱和键,且是一个不可逆反应。IAAM(色氨基酸单加氧酶)是IAA(生长素)合成的吲哚乙酸胺途径的关键酶基因。通过在模式植物烟草和水稻根系中表达CKX,证实能够降低植物体内细胞分裂素与生长素的比例,从而促进植物根系的生长发育(Wemer etal.2010;Gao etal.2014)。我们实验室以玉米自交系178等为材料,建立了利用线性DNA结合细胞穿膜肽Tat2通过玉米花粉管通道介导的遗传转化和除草剂筛选体系,该转化体系去除了质粒骨架,避免其在玉米基因组的整合,同时转化不受玉米基因型的限制。将来自单子叶植物水稻的根特异启动子EXP18-D驱动可以促进根系生长发育基因CKX3、IAAM表达在玉米自交系中,2012年和2013分别获得了195和268个转基因株系,分子检测初步证明筛选标记bar基因以及根特异启动子EXP18D驱动目的基因IAAM/AtCKX3己经导入玉米基因组中。转基因株系的拷贝数从单拷贝到十几个拷贝不等。通过盆栽试验对转基因株系及对照株系的苗期根系的观察,并进行根体积、根活力、根长、根冠比及总吸收面积等相关根系指标的测定。结果表明,相比对照株系,转基因株系总根长增加20.12%至83.66%,冠根数增加1至4根,根体积增大48.61%至123.60%,总吸收面积增大30.21%至51.90%,根活力增强26.53%至111.34%,活跃吸收面积增大37%至86.80%,根冠比增加16.67%至28%。通过旱棚和旱池模拟干旱试验,对株系的株高、叶面积、千粒重及单穗重等相关农艺性状的测定。结果表明,相比对照株系,转基因株系株高增加25.95%至61.83%,叶面积增大40.01%至67.87%,穗粒数增多22.84%至96.45%,千粒重增加3.76%至24.45%,单穗重增加27.14%至111.69%。这些试验结果初步表明,转IAAM/AtCKX3基因株系中的目的基因在根中的特异性表达,促进了根系的生长发育,从而提高了转基因玉米的抗旱性,并且转基因玉米在正常浇水条件下的生长发育不会受到抑制。该研宄为抗旱新种质材料创制提供了一个新的思路,除了关注逆境应答和耐受基因外,促进根系的生长发育才是提高植物抗旱性的关键有效途径。更多还原