干旱胁迫下玉米蔗糖转运蛋白ZmSUT4基因在灌浆期作用机制研究

Filling stage is one of the most sensitive stages to drought, is also critical period of forming the grain yield in maize. During the stage, suffered the drought will seriously affect the maize yield. Sucrose plays an important role in stress tolerance and ensuring yield, serving as an osmolyte, a nutritional substance and/or a signalling molecule. Sucrose transporters (SUCs or SUTs) are important regulation factors of sucrose transport and distribution, the thorough research of ZmSUTs function will help to clarify the mechanism of yield formation under drought stress. In this research, Huang Zao Si will be used as material, DNA and cDNA sequences of ZmSUT4 gene will be cloned to construct its over-expression and RNAi vectors, transgenic maize plants will be obtained by Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation. The changes of growth, sugar- and drought-responsive genes, and sucrose contents in transgenic plants will be analyzed under drought stress. The expression patterns of ZmSUT4 gene in filling stage will be analyzed by qRT-PCR, GUS histochemical staining and GFP fluorescence. Furthermore, we will further discuss the effect and mechanism of ZmSUT4 gene in response to drought stress, which will provide a theoretical basis for clarifying the regulatory mechanisms of sucrose transport and distribution in maize under drought stress, and provide a reference for improving drought tolerance in maize by transgenic technology.

灌浆期是玉米对干旱最为敏感的时期之一，也是玉米籽粒产量形成的关键时期，该时期遭受干早会严重影响产量。蔗糖作为渗调物质、能量代谢底物和信号物质，在玉米抵御干旱、稳定产量中发挥重要作用。蔗糖转运蛋白（SUTs 或 SUCs）是蔗糖运输和分配的重要调控因子，深入研究ZmSUTs功能对揭示干旱条件下产量形成机制具有重要的理论意义及应用价值。本项目拟以黄早四为试材，通过克隆ZmSUT4基因的DNA和cDNA序列，构建过表达和RNA干扰载体，利用农杆菌介导法获得转基因植株，观察干旱胁迫下转基因植株的生长发育变化、糖响应和干旱响应基因的表达变化、及糖含量变化；利用qRT-PCR、GUS组织化学染色和GFP荧光技术明确灌浆期该基因的表达模式，从而揭示干旱胁迫下ZmSUT4基因在玉米灌浆期的作用机制，这将为阐明干旱胁迫下玉米蔗糖运输和分配的调节机制提供理论依据，也为利用转基因技术提高玉米耐旱性提供参考。

灌浆期是玉米对干旱最敏感的时期之一，也是玉米籽粒产量形成的关键时期，该时期遭受干旱会严重影响产量。蔗糖作为渗调物质、能量代谢底物和信号物质，在玉米抵御干旱、稳定产量中发挥重要作用。蔗糖转运蛋白（SUTs 或 SUCs）是蔗糖运输和分配的重要调控因子，深入研究ZmSUTs功能对揭示干旱条件下产量形成机制具有重要的理论意义及应用价值。本项目以黄早四为试材，通过克隆ZmSUT4基因的DNA和cDNA序列，构建过表达和RNA干扰载体，利用农杆菌介导方法将过表达和RNA干扰载体分别转入HiII胚性愈伤组织中，经过抗性筛选获得再生植株。采用PCR和RT-PCR法检测再生植株中筛选标记基因和目的基因的表达量，从而筛选到阳性植株。正常情况下，灌浆期ZmSUT4在穗位叶、苞叶、果穗、茎和根中均有表达，其中在苞叶中表达量最高，根中最低。利用qRT-PCR检测发现随着干旱时间的增加，ZmSUT4基因在植株根、叶片、茎杆和果穗中的表达量均有变化，其中果穗中ZmSUT4基因表达量增加最为显著，尤其是胁迫15天表达量达到最大值，说明ZmSUT4是灌浆期玉米响应干旱胁迫的重要基因。同期，转基因植株的株高、穗位无显著差异，果穗中籽粒发育状况有显著差异，过表达植株籽粒发育饱满，RNA干扰植株籽粒较为干瘪，说明干旱胁迫下ZmSUT4影响灌浆期籽粒灌浆的速度。干旱响应基因NAC、MYC和EIN2在过表达植株中表达量显著增加，RNA干扰植株中表达量有所降低，表明ZmSUT4基因受干旱胁迫正向调节。干旱胁迫下，过表达植株中蔗糖含量有所增加，RNAi植株中蔗糖含量显著下降，说明干旱胁迫下ZmSUT4基因的缺失严重影响蔗糖在果穗中的积累。利用转录组测序技术检测干旱胁迫下黄早四果穗中相关基因表达的情况，发现大量逆境响应基因、糖代谢和转运基因等被诱导，如ABF，EIN2和MYC2等，表明玉米灌浆期遭受干旱胁迫，大量响应基因发挥作用以确保籽粒灌浆的正常进行,ZmSUT4作为逆境响应基因参与抗旱和糖代谢通路。该研究将为阐明干旱胁迫下玉米蔗糖运输和分配的调节机制提供理论依据，也为利用转基因技术提高玉米耐旱性提供参考。