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干旱等非生物胁迫与种子活力衰减是世界农业生产面临的两大主要问题。棉子糖系列寡糖(Raffinose family oligosaccharides,RFOs)代谢通路与植物非生物胁迫抗性及种子活力建成密切相关。肌醇半乳糖苷合成酶(GOLS)、棉子糖合成酶(RS)以及水苏糖合成酶(STS)是植物RFOs合成通路中的三个关键酶。目前关于RFOs代谢通路关键酶的分子生物学研究多集中在肌醇半乳糖苷酶(GOLS),鲜见植物棉子糖合成酶(RS)基因相关报道。RFOs代谢在植株抗旱及种子活力建成中的作用仍不清晰。本研究以玉米棉子糖合成酶(ZmRS)为切入点,对不同遗传背景的玉米棉子糖合成酶(ZmRS)基因突变体(zmrs)及相关基因拟南芥遗传转化材料进行糖组分鉴定、干旱抗性差异评测、种子活力评测等相关试验,研究了RFOs代谢在植物耐旱及种子活力调控中的功能。获得的主要研究结果简述如下:(1)通过同源克隆方法,发现了玉米基因组中唯一一个棉子糖合成酶基因(ZmRS,GRMZM2G150906)。该基因编码产物(ZmRS)体外具有棉子糖(Raffinose)合成活力;在蔗糖(Sucrose)不存在的条件下,具有肌醇半乳糖苷(Galactinol)水解活力。(2)ZmRS对肌醇半乳糖苷表现出高亲和力,而对蔗糖的亲和力较低。底物浓度比例(蔗糖/肌醇半乳糖苷)对其催化特性及方向有显著影响。第264位天冬氨酸对于蔗糖的结合是必须的,但不影响Zm RS对肌醇半乳糖苷的结合与水解。(3)鉴定了两个不同遗传背景的玉米棉子糖合成酶基因突变系(zmrs)。玉米zmrs突变体叶片、种胚和胚乳中棉子糖完全缺失,同时RFOs合成前体物质肌醇半乳糖苷发生累积。说明玉米棉子糖含量是一个单基因控制的数量性状,由ZmRS负责。(4)zmrs突变体植株干旱抗性较共分离野生型株系(NS)显著下降。干旱条件下,zmrs突变体叶片膜透性加剧,叶片失水严重。但zmrs突变体叶片失水加剧并非气孔开度导致。外源回补试验显示棉子糖可能具备直接保水能力。(5)过表达ZmRS能够增强拟南芥的抗旱能力。与此不符的是,过表达ZmRS拟南芥株系叶片中棉子糖含量下降,但其肌醇(myo-inositol)含量在干旱胁迫下显著上升。说明肌醇半乳糖苷可能作为肌醇贮存库参与植株抗旱进程。(6)在拟南芥中超表达ZmRS并未促进叶片中棉子糖合成,其原因是肌醇半乳糖苷的过量水解。ZmGOLS2/ZmRS双超表达株系叶片中Zm RS仍然主要发挥肌醇半乳糖苷水解活力。外施碳源提高了叶片中蔗糖丰度,同时促进了ZmRS在ZmGOLS2/ZmRS双超表达株系中的棉子糖合成能力,说明ZmRS在植物体内的活力特性受蔗糖游离度的影响。(7)zmrs玉米突变体种子活力及其耐贮性较NS对照株系显著下降。表现为不同老化处理后,萌发速率减缓,胚根、胚芽生长缓慢。zmrs突变体种胚中SOD、CAT、POD活性氧响应酶类活性显著高于NS对照株系,同时表现出蛋白氧化受损严重。说明棉子糖通过直接或间接维持种胚中活性氧平衡参与调控种子活力及耐贮性。(8)超表达ZmRS能够大幅度提高拟南芥种子中棉子糖累积水平,但却造成拟南芥种子活力锐减,这归结于高聚合度RFOs(水苏糖Stachyose、毛蕊花糖Verbascose)的降低。ZmGOLS2/ZmRS双超表达株系种子中RFOs总含量上升,同时大幅度提高了种子活力及其耐储性。(9)棉子糖合成酶基因由α-碱性半乳糖苷酶基因进化而来,从种子植物开始出现,在进化过程中受到正选择。RFOs合成酶基因的数量、结构在单、双子叶植物中存在显著不同。与双子叶植物相比,RFOs合成酶基因数目在单子叶植物基因组中趋于减少,结构趋于简单。禾本科作物水稻、玉米中STS基因丢失,推测可能是驯化压力所致。该研究结果表明RFOs含量是决定植株抗旱和种子活力的重要因素,通过调控RFOs代谢可以达到提高植物抗旱能力及种子活力的育种目的。