干旱胁迫下枸杞表皮角质层蜡质积累机制及其分子基础研究

Plants are able to enhances water retention and drought tolerance by increasing cuticular wax accumulation of aerial part. Decarbonylation pathway is the main pathway for wax biosynthesis. However, as the key enzyme in this pathway, aldehyde decarbonylase gene and its function remain elusive. It has been shown that ECERIFERUM1 (CER1) gene, encoded an aldehyde decarbonylase which catalyzes the chemical reactions on transformed long-chain aldehyde into alkanes, plays a critical roles in drought tolerance of some plant such as Arabidopsis thaliana, Oryza sativa and Zea mays L. But all these mesophyte might not be the best choice to understand CER1 gene due to their weaker abilities for wax biosynthesis. In this project, therefore, barbary wolfberry (Lycium barbarum L), an important xerophyte economic shrub which has developed cuticular wax, will be used to understand the function of cuticular wax accumulation mediated by CER1 in drought tolerance. The LbCER1 gene encoded the aldehyde decarbonylase will be cloned and characterized. The transcript abundance of the LbCER1 gene under drought treatment will be quantitatively analyzed by using real-time quantitative PCR. The LbCER1 gene in barbary wolfberry will be silenced by RNA interference (RNAi) method. The cuticular wax morphology , amount, composition and drought tolerance in LbCER1-RNAi lines will be analysed. Results of this project should provide the theoretical basis involved in drought tolerance for the genetic improvement of crops in the drought regions and solving drying problem of barbary wolfberry fresh fruits.

植物能通过增加表皮角质层蜡质积累提高器官保水性，响应干旱胁迫，但主要的蜡质合成途径脱羰基途径中的关键酶--醛脱羰基酶基因及其功能没有被确证。已有研究表明ECERIFERUM1(CER1)基因编码醛脱羰基酶，催化长链醛到烷的转化，对干旱敏感，但研究材料拟南芥、水稻、玉米等均为蜡质不发达、合成能力有限的中生植物，并非研究CER1基因及其功能的典型材料。本项目拟以蜡质发达的旱生经济灌木--枸杞为材料，克隆醛脱羰基酶基因(LbCER1)；用real-time quantitative PCR技术定量分析LbCER1基因在干旱胁迫下的转录丰度；用RNA干扰技术沉默LbCER1基因，分析LbCER1-RNAi植株抗旱性和地上部器官表皮蜡质的形态、总含量、各组分含量变化，解析枸杞LbCER1蛋白介导的蜡质积累响应干旱胁迫的生理机制，为作物抗旱性遗传改良和培育适宜于果实干制加工的枸杞新品种提供理论依据。

植物能通过增加地上部表皮角质层蜡质积累和烷烃含量提高器官保水性，响应干旱胁迫，但蜡质合成主要途径脱羰基途径中的关键酶——醛脱羰基酶基因(ECERIFERUM1，CER1)及其功能没有被确证。已有研究表明CER1基因编码醛脱羰基酶，催化长链醛到烷的转化，对干旱敏感，但研究材料拟南芥、水稻、玉米等均为蜡质不发达、合成能力有限的中生植物，并非研究CER1基因及其功能的典型材料。本研究以表皮蜡质发达的旱生型经济灌木宁夏枸杞为材料，研究了干旱条件下不同品种表皮蜡质积累特征及抗旱机理，筛选出了适宜于本研究的宁夏枸杞品种，并克隆了该品种植物中的醛脱羰基酶基因(LbCER1)、内参基因肌动蛋白基因LbACT的核心片段、与LbCER1调控有关的转录因子基因LbWIN1及与蜡质转运相关的蛋白基因LbABCG11，进行了生物信息学分析及表达特征分析，用绿色荧光蛋白(GFP)示踪LbCER1蛋白在烟草叶表皮细胞内的表达部位，用RNA干扰技术沉默LbCER1基因，分析LbCER1-RNAi植株在干旱处理下叶表皮蜡质成分和含量的变化。结果表明：干旱条件下，与宁杞0702(Lycium barbarum ssp. Ningqi 0702)相比，扁果枸杞(Lycium barbarum ssp. Bianguo)不仅能在叶中积累适量的Na+，调控体内渗透平衡，改善体内的水分状况，维持其正常的生长，还能通过增加叶表皮蜡质积累，限制非气孔性水分散失，提高植物保水能力，抵御水分胁迫。扁果枸杞醛脱羰基酶基因(LbCER1)的cDNA序列长2168bp，开放阅读框为1881bp，编码626个氨基酸，有4个跨膜区，一个脂肪酸羟化酶结构域和一个位于C-末端的WAX2结构域，是一种耐高温，性质稳定的偏碱性亲水蛋白，定位在内质网膜上，与茄科植物同源性达100%。干旱条件下，LbCER1转录丰度能在3h内上调至峰值，是响应植物水分亏缺的重要基因之一。同时，与蜡质合成相关的转录因子LbWIN1通过ABA信号系统调控LbCER1的表达，进而响应干旱胁迫。干旱条件下，LbCER1通过参与奇数链烷烃的合成，影响酯类积累，进而改变叶表皮蜡质组分和含量，提高植物的保水能力，从而抵御干旱胁迫。