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在水稻整个生育期中,孕穗、抽穗扬花期和灌浆期是最容易遭受高温胁迫影响的时期,导致水稻结实率大幅度降低,稻米食味品质和营养品质下降(Fitzgerald et al.,2009),本研究在前期对水稻品种耐热性筛选的基础上,以温度敏感度不同的水稻基因型为材料,通过人工气候箱控温实验,探析了高温胁迫对水稻花器伤害、结实特性和稻米品质影响的碳氮代谢特征及其分子生态基础,并以蛋白二硫异构酶(PDI)基因沉默和超表达水稻为材料,对PDI基因表达与水稻高温花粉育性变化间的关系进行了研究分析。主要研究结果如下：1、水稻在减数分裂期和小孢子发育期遭遇高温均会使其结实率和花粉育性产生明显下降,其中减数分裂期高温对花粉育性和结实率的危害程度要大于小孢子发育期。高温胁迫会导致花药中的糖转运过程受阻、单糖(果糖、葡萄糖)积累量增加,蔗糖和淀粉积累量显著减少。基因芯片和荧光定量PCR结果表明减数分裂期高温加速了水稻花药中蔗糖的运输裂解过程,其中蔗糖转化酶基因CIN1对温度的敏感程度显著大于蔗糖合成酶类基因(SUS4、SUS5、SUS6)。蔗糖转运体基因SUT3和CIN1在减数分裂期高温胁迫下呈显著上调表达,可能与水稻花器官响应高温胁迫的蔗糖信号代谢存在较密切联系。单糖转运体基因MST8表达量显著下调可能是导致单糖不能及时从花药运输到花粉中,从而引起花药组织中单糖积累,花粉淀粉缺失而败育的重要原因。2、9311高直链淀粉突变体931leha的Wx基因前导内含子区域有一个T到G的突变,导致其前导内含子5’剪切位点的碱基序列从AGTTATA变成AGGTATA,引起9311eha中GBSS酶活性、Wx基因转录水平和剪切效率增加,从而导致其表观直链淀粉(AAC)和实际的直链淀粉(HWS)含量高于其野生对照9311的2倍左右。酶活分析表明Wx基因突变并未对水稻灌浆籽粒中淀粉合成代谢其他关键酶的活性及其温度响应模式产生明显影响。高温处理对9311eha发育胚乳中Wx基因的mRNA转录表达和GBSS酶活性有较明显的影响,但9311eha突变体的AAC和HWS在不同温度处理下的变化不大,揭示温度处理对稻米直链淀粉含量的影响效应并不完全是由Wx mRNA剪切方式和剪切效率所决定。一方面依赖于不同品种中Wx基因mRNA转录水平和GBSS酶活的时期特异性；另一方面高温胁迫下GBSS1(Wx基因)在9311eha发育胚乳中的下调表达,通常与SSSIIa和SBEIIb的下调表达相伴随,SSSIIa和SBEIIb的表达量下降可能对其高温胁迫下的直链淀粉合成起一定程度的“补偿”作用。此外,高温处理显著增加了9311eha和9311胚乳中中长支链淀粉和大淀粉颗粒比例,从而导致糊化温度增加。3、精米、糙米和糊粉层中总蛋白含量在灌浆期高温处理下均显著增加,其中谷蛋白含量在高温处理下显著上升,而醇溶蛋白含量显著下降,导致谷醇比在高温胁迫下显著上升。SDS-PAGE结果表明高温胁迫导致水稻籽粒中谷蛋白前体(Pro-glutelin)、谷蛋白酸性亚基(a-glutelin)和碱性亚基(3-glutelin)含量在整个灌浆期显著升高；而13KDa醇溶蛋白亚基组分含量在灌浆前期显著增加,而在灌浆后期显著下降。半定量PCR结果表明,高温胁迫加速了GluA2、GluA3和GluBl等谷蛋白亚基基因在水稻灌浆前中期的表达,而显著抑制了醇溶蛋白13KDa家族基因Pro13、Pro14和Pro17在整个灌浆期的表达。转录调控因子基因RISBZ1、RPBF和参与蛋白前体剪切、折叠和加工的基因PDI、BiP对高温的响应模式与谷蛋白和醇溶蛋白家族基因类似。同时,高温加速了籽粒氮同化类基因(GS1、GDH1和GOT),碳氮分配类基因(SnRKla)的表达,而抑制了淀粉合成类基因(GBSS1, SSIIa)的表达。揭示高温胁迫下籽粒总蛋白的增加不仅与贮藏蛋白合成基因表达的变化有关,还与贮藏蛋白合成基因的转录调控、蛋白前体的折叠和加工、籽粒氮同化和淀粉合成基因表达的动态变化密切相关。4、构建了PDI沉默载体pTCK303-RiOsPDI和超表达载体pTCK303-OsPDI,经农杆菌介导和潮霉素(Hyg)抗性基因的PCR鉴定,确定携带有干扰片段和全长表达序列的T-DNA区已整合到水稻基因组中,且在转基因T1代符合3：1的分离模式。荧光定量PCR的检测结果表明,PDI基因沉默和超表达转基因阳性植株不同器官中的PDI表达量均显著降低和升高,并且抑制或提升效应对于花粉器官效果较明显。对转基因T2代植株的高温结实特性和籽粒理化品质进行了检测。结果表明,PDI基因沉默后,籽粒粗蛋白总量和直链淀粉含量的影响不甚明显,但高温胁迫处理下结实率大幅度降低,耐热性显著下降；而PDI超表达植株在高温处理下的结实率与对照之间无显著差异。值得注意的是,PDI基因沉默后,转基因植株的花药体积和花粉育性显著降低,且高温处理下沉默植株的花药体积和花粉育性进一步减少；而PDI超表达植株的花药体积和花粉育性虽然比野生型略有降低,但不同温度处理下两者的花药体积和花粉育性均没有显著差别,揭示PDI可能是参与调控水稻花药、花粉发育和花粉耐热性的一个重要功能基因。