硫化氢调节小麦耐旱性的分子机制

Wheat, as one of the major crops, is easy to suffer drought stress in our country, especially in the north area. Internal and international studies suggest that endogenous H2S can respond to various biotic and abiotic stress. Applicants also found that H2S could enhance drought resistance of wheat, but the specific molecular mechanism is unclear. Therefore, this project intends to preliminarily propose the molecular mechanisms of H2S responsing to drought stress in wheat and select the key regulatory gene through detecting the effects of exogenous H2S on the transcriptome of wheat under drought stress. Then, clone TaCDes (degradating cysteine to H2S) and transform them to arabidopsis to investigate the physiological, biochemical and molecular changes under drought stress, the purpose of which is to further validate the physiologic and molecular mechanism of hydrogen sulfide proposed above. Ultimately, provide a theoretical basis for the implementation of drought-resistance measures and cultivation of drought-tolerance wheat varieties.

小麦是主要农作物之一，我国麦区尤其是北方冬麦区小麦很容易遭受持续旱灾。国内外研究表明，植物中内源H2S能响应多种生物和非生物胁迫。申请者也发现H2S可增强小麦的抗旱性，但具体的分子机制尚不清楚。因此，本项目拟首先分析干旱胁迫下外源H2S对小麦转录组的影响，初步提出H2S调节小麦干旱胁迫的分子机制，筛选关键调控基因；然后，克隆并转化小麦TaCDes基因（可催化半胱氨酸降解生成H2S），检测TaCDes过表达转基因植株在干旱胁迫下生理生化及分子水平的变化，进一步验证H2S调节小麦干旱胁迫的生理及分子机制。最终为抗旱措施的实施及抗旱小麦品种的培育提供理论依据。

H2S是植物中继NO和CO之后的第三种气体信号分子，能调节植物生长发育过程，响应各种生物和非生物胁迫。小麦是主要粮食作物，研究H2S对小麦抗旱能力的调节作用及机制具有重要意义。.本项目的主要研究内容有两方面：.（1）外源H2S提高小麦抗旱性的生理及分子机制研究；.（2）克隆小麦中内源H2S合成基因TaCDes，获得TaCDes过表达植株，并通过过表达植株研究TaCDes调节干旱胁迫的生理及分子机制。..本项目的主要研究结果有：.（1）干旱胁迫条件下，外源H2S喷施小麦叶片，能促进其生长，增强抗氧化酶活性，减少氧化伤害，并可通过加速D1蛋白周转提高光系统Ⅱ的化学活性等。.（2）高通量测序发现7552个转录子不仅在干旱胁迫下有差异表达，并能在干旱胁迫下响应H2S信号；GO功能和KEGG Pathway分析显示，H2S对干旱胁迫的调节可能依赖于‘转运’， ‘核糖体合成’, ‘蛋白质加工’, ‘脂肪酸降解’等功能及代谢途径相关基因，并且H2S还能介导植物激素信号途径，诱导相关蛋白激酶、功能蛋白的表达，从而提高小麦抗旱性，并最终筛选到干旱胁迫下介导H2S信号途径的37个候选关键基因。.（3）克隆了TaD‑CDes基因和TaL‑CDes基因，并构建了TaD‑CDes和TaL‑CDes过表达载体，转化拟南芥获得过表达植株。.（4）通过TaD‑CDes转基因植株的研究发现：TaD‑CDes转基因植株对ABA更敏感，与野生型相比，种子萌发率、幼苗生长及根系发育等受ABA抑制效果更显著；TaD‑CDes促进了干旱胁迫下的气孔关闭，并且依赖于ABA信号途径，但是TaD‑CDes转基因植株并未表现显著的耐旱型，其原因可能是TaD‑CDes增加了叶片气孔密度。.（5）通过TaL‑CDes转基因植株的研究发现：与TaD‑CDes转基因植株一样，TaL‑CDes 转基因植株也对ABA更敏感，促进了干旱胁迫下的气孔关闭，但TaL‑CDes可以提高植株的抗旱性，并且TaL‑CDes在盐和甘露醇胁迫条件下也比WT植株生长更好。.本项目充实了小麦抗旱调控机理，可为抗旱措施的实施及抗旱小麦品种的培育提供理论依据。本课题组已将NaHS（H2S供体）在小麦栽培中进行应用研究，初步结果显示NaHS喷施可提高干旱胁迫下的小麦产量，说明NaHS可作为一种抗旱制剂应用于农业生产中，具有一定的应用前景。