PB对不同生育期高表达转玉米C₄-PEPC基因水稻干旱耐性的影响

【作者】 宋凝曦； 孙颖洁； 谢寅峰； 李霞；

【机构】 江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心； 南京林业大学生物与环境学院； 南京师范大学生命科学学院； 江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心；

【摘要】 【研究背景】水稻作为世界上食用人数最多的主食,其产量时刻关系着粮食安全问题。但是随着人口增多,环境污染问题日益严重,自然灾害不断发生,土地资源减少,水稻的人均产量在下降,运用常规的方法来提高水稻的产量变得越来越困难。Ku等首次运用农杆菌介导法将完整的玉米PEPC基因（含自身启动子）成功导入水稻,首次获得高表达玉米C₄-PEPC基因的转基因植株（Kuetal.,1999）。前期研究也观察到包括水稻在内的许多作物在响应非生物胁迫中发生了可变剪接（Alternative splicing, AS）,受干旱程度影响,作物可变剪接的数目会上升,表明干旱逆境会诱导可变剪接的发生,提示改造特定基因的可变剪接可能是水稻乃至其他作物适应非生物胁迫的有效方法。课题组前期的研究结果已经观察到:用5%聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱处理1h后,表达PC的C₄-PEPC启动子-1095至-416区域中的去甲基化（Liuetal.,2017）。最近新出现的证据也表明DNA甲基化也调节可变剪接,那么该转基因材料的在干旱响应中出现的DNA甲基化差异是否会诱导转录水平的可变剪接的变化,这是值得深入研究的科学问题;【材料与方法】本实验以表观遗传的视角,通过设置不同浓度的外源可变剪接抑制剂大环内酯类（Pladienolide B,PB）联合模拟干旱PEG-6000处理,研究可变剪接在高表达转玉米C4-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因水稻（PC）以及未转基因的野生型（WT）芽期、苗期以及生育后期干旱耐性的作用效果;【结果与分析】1:PB显著抑制了供试水稻的发芽率以及发芽势,其中PC的抑制程度显著小于WT,这种表现与渗透调节物质总可溶性糖、可溶性蛋白含量以及α-淀粉酶活性的降低有密切关系,而且这个作用与光照有关;2:PB显著减少供试水稻苗期短期模拟干旱处理的叶片相对含水量,这种生理指标的变化与其内源信号分子的变化同步,其中H₂O₂含量经过PB处理两供试材料的差异消失,但是NO以及钙离子含量虽然显著降低,但是PC比WT高的表现并没有消除。值得关注的是内源蔗糖含量显著增加,植物蔗糖非发酵1（SNF1）相关蛋白激酶（Sucrosenonfermenting-1-relatedproteinkinases,SnRKs）家族是植物响应胁迫的关键蛋白激酶家族,SnRK1亚家族与糖信号协同调节植物代谢,SnRK2家族在干旱胁迫下被ABA激活。干旱处理后SnRK1家族的基因的OsK1a、OsK24、OsK35表达比对照升高,且PC高于WT,加入PB后OsK1a、OsK24表达降低,但PC仍高于WT;干旱处理后SnRK2家族的基因SAPK8、SAPK9和SAPK10表达比对照升高,且PC高于WT,加入PB后三个基因表达降低,但PC高于WT。AS由一组RNA结合蛋白精细调节,这些蛋白识别RNA中的序列信号并调节剪接,在这些蛋白质中富含Ser/Arg（Arginine/serine-rich,SR）的蛋白质,在C-末端含有Arg/Ser富含结构域。SR蛋白在植物对环境胁迫的反应中起重要作用,前人研究发现超过4000个靶RNA与SR蛋白相关,并且SR被发现参与拟南芥中30%的ABA反应的AS。本研究观察到干旱处理后剪接因子SCL25、SR33和SR40表达增加,且PC高于WT,加入PB后,SCL25和SR33表达下调,但是PC中RS36和SR40表达仍显著高于WT,推测可变剪接过程参与了PC对干旱的响应,这个调节分别与糖和ABA相关的激酶基因的表达有关;3:PB对生育后期剑叶的光合参数没有显著影响,但是均显著降低产量构成因子,且可变剪接抑制剂对其抑制程度仍然是WT大于PC,PC的各项产量构成因子均高于WT,可见在供试水稻生育后期遭受干旱的长期处理中,可变剪接仍然发挥重要的作用,而且品种间存在差异;【结论】可变剪接在高表达转玉米C₄-磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因水稻（PC）的不同生育期干旱耐性中发挥重要作用。更多还原