玉米中旱胁迫响应基因RA33G4的抗旱功能鉴定

Maize drought tolerance has been a prior goal of the breeding program. The existing foundation genotype inbred lines of maize is a base not only for maize cross breedin but also for breeding new foundation genotypes via formulation and improvement. In this study, a drought-response gene RA33G4 will be overpressed in four foundation genotypes of Huangzao 4, Chang 7-2, Ye478 and Zhen 58 via transgenic technique; Transgene plants will be identified through selection with Basta together with molecular approaches; Identification of drought-tolerant phenotype of transgene lines will be conducted through potting treatment in the greenhouse; Expression level of RA33G4 in transgene plants and non-transgene control plants under drought and control treatments will be quantified; The changes in physiology, and cells (photosynthesis efficiency; water potential and osmosis in leaves; content of ABA, proline and osmoprotectant sugars, super oxygen, and activity of superoxidases in the leaves; change in stomata; change in cellular membranes; change in root systems); The mechanisms of drought tolerance are then inferred via comprehensive analyses of correlation of gene expression levels, changes in parameters on physiology and biochemistry, and drought tolerance of plants. Also, it is hoped that novel breeding parent materials with breeding value will be created through this study.

玉米耐旱已成为玉米育种的一个优先育种的目标。玉米骨干亲本自交系既是杂交育种也是创制新骨干亲本的基础。本项目用转基因获得旱胁迫响应基因RA33G4在我国4个玉米骨干亲本自交系黄早四、昌7-2、掖478及郑58中的过量表达；通过除草剂Basta抗性筛选和分子手段鉴定出转基因株；通过自交选育获得接近纯合的转基因株系；采用温室盆栽处理方式对转基因株系进行抗旱性表型鉴定；定量分析旱胁迫处理和对照条件下的转基因株和非转基因对照株系中RA33G4的表达量；检测分析各种处理下的转基因株和非转基因对照株系的生理和细胞变化（光合效率，叶片水势和渗透势；叶片中的ABA、Proline和渗透保护性糖含量、超氧离子，以及过氧化物酶活性；气孔变化；细胞膜结构的变化；根系形态变化）；综合分析基因的表达量、生理生化参数变化与抗旱性相关性，由此推断出该基因的抗旱分子机制，并希望直接创制出新的育种亲本材材料。

土壤干旱严重威胁玉米生产。国内外已在不同层面对玉米的抗旱或者缺水响应机制进行了广泛而深入的研究，包括生理、转录组学、蛋白组学、基因组扫描分析和代谢组学水平，并由此产生了丰富的玉米抗旱机制理论或者假说。据我们所知，在玉米中，已报到的具有抗旱功能的基因十分有限。.在植物包括玉米中，有一个编码具有PMP3结构域的稀有冷诱导蛋白（RCI）基因家族。PMP3 蛋白是一类小分子量的高度疏水性的调节膜电位的膜脂蛋白。因为PMP3蛋白结构上差异导致的蛋白活性差异，PMP3基因家族成员的功能十分多样。到目前为止，在玉米中发现了11个具有PMP3结构域的RCI2基因并分为3组，之前发现该家族成员中仅有ZmPMP3-3是特异性响应干旱胁迫的，仅有编码58个氨基酸的ZmPMP3-1被转基因证实具有抗盐作用。其它PMP3基因的功能需要实验鉴定。 .我们发现了一个编码58个氨基酸蛋白的玉米基因RA33G4，它属于第一组PMP3基因。本研究通过转基因在四个玉米骨干亲本自交系中过表达了RA33G4并分析了转基因株系表型、抗旱相关生理参数。表型结果表明与非转基因对照自交系相比，转基因株系耐旱能力明显增强。结论是RA33G4是一个旱胁迫诱导性，它的过表达能够增强玉米耐旱、促进旱胁迫下和去胁迫后恢复过程中玉米根系生长，但这种促生效果因受体玉米株系差异有少许不同；该基因基于ABA依赖性抗旱信号途径；其过表达可能诱导ABA产生、保护并稳定细胞膜、抑制ROS种的过量产生、给予细胞渗透保护、提高抗氧化酶活性、调节其它抗旱相关基因的表达。我们的结果为深入研究PMP3蛋白家族的基因的功能提供了有一线索。