Lsi1基因对水稻抗UV-B辐射的调节机制研究

臭氧层耗损导致的地表紫外线UV-B（280-320nm）辐射增强已成为当今世界三大环境问题之一,其直接影响农业生产进而危及粮食安全。水稻作为最重要的粮食作物之一，其产量及品质也不可避免地受到UV-B辐射增强的影响。前期研究表明硅营养能够提高水稻的抗UV-B辐射能力，但更深入机制需要进一步解释，从而为栽培调控提供依据。据此，本研究拟应用RNA干扰及基因过量表达技术，分别获得硅吸收基因（Lsi1）沉默及增强表达的强抗UV-B水稻Lemont的突变体，从转录组学、蛋白质组学、形态解剖结构、光合生理等方面研究Lsi1基因对水稻抗UV-B辐射的调节机制；在此基础上，过量表达弱抗UV-B水稻Dular的Lsi1基因，应用上述研究方法证实增强表达Lsi1基因对于提高水稻抗UV-B辐射的可行性，从而为栽培调控水稻抗UV-B辐射能力、分子培育高抗UV-B辐射水稻提供依据。

本项目根据研究计划，揭示水稻Lsi1基因对其抗UV-B辐射的调节机制，经过3年的研究，完成了申请书提出的研究内容，具体结果如下：通过本项目发现，自然光照条件下，缺硅培养的UV-B抗性水稻Lemont叶片的phenylalanine ammonia lyase (PAL)和photolyase(PL)基因的表达以及总酚、类黄酮的含量都低于正常硅营养条件下的Lemont水稻；UV-B辐射下，上述指标在两种硅营养处理的Lemont水稻中都增加或增强，但缺硅培养的水稻仍显著低于正常硅营养条件下的水稻，此结果暗示硅能够调节水稻抗UV-B辐射能力。据此，进一步克隆了水稻的Lsi1基因，运用RNAi和Overexpression技术，分别抑制和增强水稻根系Lsi1基因的表达。结果表明抑制水稻Lsi1 表达后其根系吸收硅能力和叶片硅含量均显著降低，而Lsi1-overexpression的转基因水稻则均显著增加；电镜扫描结果显示过量表达Lsi1后水稻的叶片结构发生明显变化，表现为硅质乳突增大；对转基因水稻的光合能力测定结果也显示，过量表达Lsi1能够提高水稻的光合作用能力。进一步研究发现，正常硅营养条件下，抑制水稻Lsi1基因表达，其叶片PAL、PL基因表达下调，总酚、类黄酮含量降低，此结果与缺硅培养下的野生型植株相似；过量表达Lsi1基因，水稻叶片PAL、PL基因则增强表达，总酚、总黄酮的含量显著增加。UV-B辐射下，Lsi1 overexpression的转基因水稻叶片PAL、PL基因表达、总酚、类黄酮仍高于相同处理下的野生型植株，Lsi1 RNAi转基因水稻则相反。运用SSH分别分析UV-B辐射下不同转基因水稻较各自野生型植株的差异表达基因，结果显示，UV-B辐射下，Lsi1 RNAi转基因水稻中的逆境响应、系统解毒、光合作用、次生代谢、细胞生长、分子修复、信号转导等相关基因较相同处理条件下的野生型植株均下调表达，而这些基因在Lsi1过量表达的转基因水稻中的表达都高于野生型植株。差异蛋白质组学的研究结果显示，UV-B辐射下，20个蛋白在Lsi1 overexpression的转基因水稻发生表达变化，其中GST等抗性蛋白表达上调。上述结果初步揭示了Lsi1基因调节水稻抗UV-B辐射的分子作用网络，为运用分子栽培技术提高培育抗UV-B辐射水稻提供理论依据。