水稻谷胱甘肽过氧化物基因家族的功能研究

Compared to animals, glutathione peroxidases (GPXs) are more than simple antioxidant scavengers in high plants; they may also act as redox sensors in signal transduction pathways and participate in the regulation of plant growth and development process. So far, the exact physiological roles of plant GPXs are not clearly known. Thus, understanding the function of OsGPXs gene family in rice, a model plant in molecular biology, will help us to finely manipulate the expression level of OsGPX to enhance the tolerance of environmental stress by genetic eginerering in future. In this study, we first analyze the transcriptional expression patterns, enzyme activities and subcelluar localiztion of OsGPXs. Secondly, the function of chloroplastic OsGpx4 and the antioxidant mechanism are analysed in OsGpx4 knockout mutant that is obtained by use of transcription activator-like effector nucleases (TALEN) technique platform. Further, trangenic rice are generated by expressing OsGpx4 that is positioned downstream of the β-estradiol-inducible promoter. The physiological or biochemical index of the transgenic lines and wild type are analyzed in order to obtain enhanced tolerance lines.

相对动物而言，高等植物谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidases, GPXs)的功能远不止是一种抗氧化酶那么简单，它们更多的参与了细胞氧化还原信号传递以及植物生长发育的复杂调控过程，其确切的生理功能尚不明确。深入研究模式植物水稻OsGPXs基因家族的功能，可以为将来通过遗传操作等手段精细调控体内GPX表达水平以提高农作物抗逆境胁迫能力，促进光合生理的品种改良奠定基础。本项目首先从5个OsGPX基因家族成员转录表达模式、蛋白活性以及亚细胞定位分析作为切入点，然后利用转录激活子样效应因子核酸酶靶向敲除技术，创建水稻叶绿体型OsGpx4突变体，对其基因功能以及抗氧化机制做进一步探讨。在此基础上创建雌二醇诱导型启动子调控下的OsGPX4过表达植株，分析它们与野生型植株在逆境胁迫条件下生理、生化等各方面指标的差异，期望筛选到抗逆性提高的转基因株系。

谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidases, GPXs）是一类存在广泛存在于动植物细胞中的抗氧化酶，它们能够有效地清除体内的活性氧分子，保护细胞免受氧化损伤。与动物GPXs相比，植物GPXs生理功能的研究相对较少。水稻OsGPXs是一个含有 5个家族成员的基因家族，它们分别定位于不同的细胞器中，每个OsGPXs成员确切的生理功能还不是很清楚。对水稻OsGPX基因家族成员在不同环境胁迫与激素处理条件下的表达模式分析表明5个OsGPXs的转录本会发生不同程度的响应变化，并且它们在植物绝大多数的器官组织中都能表达。一般而言OsGPXs在绿色组织中表达量较高，而在非绿色组织中表达较低或几乎没有表达。与其他植物的GPXs类似，体外酶活分析表明 OsGPX4与OsGPX5均不能利用还原型谷胱甘肽GSH，而能够利用硫氧还蛋白作为还原剂，将不同的过氧化物还原。对叶绿体定位的OsGPX4与OsGPX5 T-DNA插入失活的单突变体研究表明，OsGPX4突变体与野生型相比无明显表型差异，而OsGPX5突变体萌发速率显著低于野生型对照，并且萌发6天后的突变体幼苗地上部分的长度小于野生型对照。进一步对农业性状的分析统计表明OsGPX5突变体的株高、分蘖数、穗长与结实率均低于野生型。此外，在不同盐胁迫条件下的生长测试结果显示OsGPX5突变体对盐胁迫的敏感性显著高于野生型。这些结果表明OsGPX5不仅作为一个抗氧化酶，其在水稻生长发育以及参与抵抗盐胁迫的过程起着重要的生理作用。