水稻干旱敏感型突变体dsm1的基因克隆及功能研究

水稻是重要的粮食作物，保障水稻生产对我国粮食安全和农业可持续发展具有重大战略意义。近年来，气候变暖、土壤干旱沙漠化、耕地面积减少等给农作物生产带来了新的挑战。进一步挖掘作物本身的生理及基因潜力，培育耐旱作物新品种，是充分利用宝贵土地资源的有效途径。利用干旱敏感或干旱抗性突变体克隆抗旱相关基因，不仅能丰富我国的抗逆基因资源，也是利用转基因手段培育作物抗旱新品种的捷径。我们在前期工作中获得了一个水稻干旱敏感型突变体dsm1，其典型特征是在大田生长条件下根系严重退化，而在水培条件下突变体生长正常。本项目拟采用图位克隆方法分离相关突变基因，并通过生物化学及分子生物学手段深入研究其生物学功能，揭示目标基因在水稻根系发育及干旱胁迫中调控机理，探索目标基因在提高水稻抗干旱能力的应用前景。本项目的实施对于推动我国水稻耐旱性的理论研究和育种改良均具有十分重要的科学意义。

水稻是重要的粮食作物，全世界一半以上人口以稻米为主食。我国是一个水稻生产大国，保障水稻生产对我国粮食安全和农业可持续发展具有重大战略意义。然而，随着全球变暖趋势的加剧，我国水资源贫乏问题日趋严重，干旱缺水给水稻生产造成了严重威胁。通过挖掘作物本身的生理及基因潜力，培育耐旱作物品种，提高作物本身的水分利用效率，是充分利用宝贵土地资源的有效途径之一。利用干旱抗型或干旱敏感型的水稻突变体，克隆抗旱基因，这不仅能丰富我国具有知识产权的抗逆基因资源，同时利用转基因技术，将这些抗旱基因转化到目前生产上的当家品种中，这无疑又是选育优质、高产、抗逆新品种的有效捷径。本课题利用干旱敏感型突变体dsm1，通过图位克隆，成功分离克隆了目标基因DSM1。DSM1基因定位在水稻9号染色体长臂上，经DNA序列测定证实，碱基突变发生在0s09g25850基因的第10个外显子中，导致该处的氨基酸由组氨酸变成了天冬氨酸。生物信息学分析表明，DSM1属于GL1基因家族，其编码蛋白含有两个与固醇去饱和酶、脱氢酶/还原酶同源的结构域。水稻中OsGL1家族基因有11个成员， DSM1编码OsGL1-1，因此我们将该基因命名为OsGL1-1。遗传互补实验证实OsGL1-1的突变导致了水稻叶片蜡质缺失、高度亲水和对干旱敏感的表型。基因表达谱分析表明，OsGL1-1基因在水稻中为组成型表达。蛋白亚细胞定位结果表明，OsGL1-1蛋白在细胞质、细胞核、细胞膜均有分布。扫描电镜观察表明，与野生型比较，突变体叶片表皮结构的发生明显的变化，叶表皮蜡质减少的非常严重。植物表皮蜡质覆盖在植物表面最外层，具有阻止植物组织内水分的非气孔性散失的功能。作物表皮蜡质与作物水分利用效率、产量等都有很高的相关性。我们的研究发现：OsGL1-1基因的突变不仅造成叶片的表皮蜡质含量大大减少，而且还导致叶片表皮膜的结构也发生了变化，即导致表皮膜变薄。而这种叶片表皮结构和表皮蜡质的变化导致了叶表皮属性的改变，造成叶片的水分散失率增加，对干旱诱导的敏感性增强。我们将目标基因申请了专利，相关研究结果发表在国际主流期刊Molecular plant上。我们认为，利用植株表皮蜡质基因来研究水稻叶表皮蜡质与耐旱之间的相关性，并将其用于水稻育种，通过基因工程手段改良水稻叶表皮性状从而提高抗旱能力，是一个新的有益尝试，具有重要的理论意义和实践价值。