OsZFP151调控水稻抗旱性的分子机制研究

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干旱是影响水稻品质和产量的主要非生物胁迫,严重威胁全球粮食安全。挖掘抗旱新基因,探明抗旱分子机制,并将分子模块应用于抗旱品种选育,是目前水稻抗旱育种的主要研究内容。转录因子作为重要的调节因子,在植株生长发育和非生物胁迫应答过程中发挥着重要作用。为探索新的抗旱基因,本研究对30个水稻转录因子过表达材料进行抗旱性鉴定,发现C2H2型转录因子Os ZFP151(Oryza sativa Zinc Finger Protein 151)转录活性的增强可以显著提高水稻苗期抗旱性。因此,将Os ZFP151作为研究对象,对其功能进行解析,取得了如下主要研究结果:1.对Os ZFP151过表达和敲除植株进行苗期抗旱性分析,复水后的恢复状态、存活率统计结果以及离体叶片失水速率均表明Os ZFP151正调控水稻抗旱性。酵母双杂交和萤火素酶互补实验显示Os ZFP151与组蛋白H3K4甲基转移酶Os Trx1互作。苗期干旱胁迫试验结果显示Os Trx1敲除植株的抗旱性较野生型(WT)显著降低。这些结果表明Os ZFP151和Os Trx1可能协同调控水稻苗期抗旱性。2.为了探究Os ZFP151参与水稻抗旱性的调控机制,对oszfp151突变体植株和WT植株进行转录组测序。分析结果显示,在oszfp151突变体中,174个差异表达基因(DEGs)显著上调,包括WRKY转录因子和MYB转录因子等编码基因;275个DEGs显著下调,包括过氧化物酶类等编码基因。GO分析结果表明DEGs在抗氧化酶、过氧化物酶等酶活性功能上显著富集,推测这些基因可能在Os ZFP151响应干旱胁迫的过程中起重要作用。3.oszfp151突变体和WT植株转录组数据和荧光定量PCR结果表明,Os ZFP151负调控Os WRKY55的表达。对Os WRKY55过表达植株进行苗期抗旱性分析,结果显示,与WT植株相比,Os WRKY55过表达植株对干旱胁迫更加敏感,离体叶片失水速率显著加快,干旱处理后的叶片中积累更多的过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2-),这些结果说明Os WRKY55负调控水稻对干旱胁迫的抗性。4.酵母双杂交和GAL4依赖性反式激活试验显示丝裂原活化蛋白激酶Os MPK7、Os MPK9、Os MPK20-1和Os MPK20-4可以和Os WRKY55发生相互作用并激活Os WRKY55的转录活性。对Os WRKY55过表达植株和WT植株进行转录组测序,分析结果显示水稻抗旱负调控因子Os AP2-39的表达量在Os WRKY55过表达植株中显著上调。CPRG液体显色和双荧光素酶报告试验显示,Os WRKY55可以与Os AP2-39启动子结合,并激活Os AP2-39的表达,说明Os WRKY55可能通过调控Os AP2-39的表达负调控水稻抗旱性。5.农艺性状调查结果显示,与WT植株相比,Os ZFP151过表达植株株高显著提高,oszfp151突变体株高显著降低,表明Os ZFP151正向调控水稻株高。Os WRKY55过表达植株较WT植株各节间缩短,且细胞长度和细胞宽度均显著缩短,说明Os WRKY55负调控细胞生长而导致过表达植株的矮化。利用水稻功能基因组育种数据库2.0(RFGB v2.0)对Os WRKY55的单倍型(Hap)及其株高进行关联分析,结果显示,根据启动子区域SNPs划分的4个单倍型中,Hap2的平均株高最矮,96.07%的Hap2存在于粳稻亚群中,而Hap3的平均株高最高,97.52%的Hap3存在于籼稻亚群中,表明Os WRKY55启动子区域的自然变异可能是造成籼粳稻品种间株高差异的原因之一。
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