干旱胁迫下菊芋果聚糖代谢响应及其合成酶基因克隆与功能验证

Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as a potential development specialty crops in Qinghai Plateau, is the new hot spot on study of the new type of sugar, bioenergy, functional feed and ecological governance in recent years, their tubers are rich in fructans which is the material on processing and utilization. The fructan is the major storage method of the plant carbohydrate in temperate and cold, windy areas, about 15% of angiosperms contain fructans. Studies have shown that fructan metabolism is closely related to plant stress resistance, but less research on regulation mechanism of fructan metabolism ouder plant Stress, especially on molecular level research. Based on strong adaptability of Jerusalem artichoke on drought stress in the Qinghai Plateau，on the foundation of the preliminary study ,we will study fructan metabolism physiological response under drought stress, the fructan biosynthesis enzymes gene cloning and sequence analysis, gene expression characteristics under drought stress, and fuctional analisis and other aspects of the research in Jerusalem artichoke. It is expected to parsing correlation of fructan metabolism and drought , to understand the fructan biosynthesis enzymes gene molecular characteristics , revealed drought-resistant mechanism of fructan biosynthesis enzymes gene, further deepen fructans research, and also to provide a theoretical basis for molecular breeding with fructan biosynthesis enzymes gene to improve the stress resistance.

菊芋作为青海高原极具发展潜力的特色作物，是近年来新型糖料、生物能源、功能饲料及生态治理等多方研究的新宠，其块茎中富含的果聚糖是加工利用与碳水化合物代谢的主要物质。果聚糖是温带和冷寒地区植物碳水化合物主要储存方式，约15%的被子植物含有果聚糖。研究表明，果聚糖代谢与植物抗逆性密切相关，而针对其机制方面的研究较少，尤其缺乏分子水平的研究。基于菊芋在青海高原干旱环境表现出很强适应性的特点，项目拟在菊芋果聚糖前期研究的基础上，以合成酶基因为切入点，通过干旱胁迫下果聚糖代谢生理响应、合成酶基因克隆与序列分析、启动子克隆分析、干旱胁迫下的基因表达特性和转基因烟草抗旱功能验证等方面的研究，明晰果聚糖在干旱胁迫下的生理响应特征，解析与菊芋抗旱的相关性，了解果聚糖合成酶基因的分子特性，初步揭示果聚糖与植物抗旱的机理，进一步深化果聚糖研究，也为利用果聚糖合成酶基因转化以提高菊芋及其他作物的抗逆性提供理论依据。

菊芋作为青海高原极具发展潜力的特色作物，其块茎中富含的果聚糖是加工利用与碳水化合物代谢的主要物质。果聚糖代谢与植物抗逆性密切相关，而针对其机制方面的研究较少，尤其缺乏分子水平的研究。本研究以“青芋1号”和“青芋3号”为试验材料，在菊芋苗期进行人工控水胁迫，结果表明，果聚糖代谢使植株提升了对干旱胁迫的适应能力；抗旱性强的品种通过快速合成积累果聚糖，受到胁迫时大量降解果聚糖为游离糖以提升渗透调节能力。以“青芋1号”为试验材料，克隆得到了1-SST和1-FFT基因，cDNA大小分别为1895bp和1854bp；对基因序列进行了相关生物信息学分析，序列同源性比对表明，菊芋1-SST和1-FFT与菊科作物的同源性较高； 1-SST与朝鲜蓟遗传距离最近，1-FFT与维氏菊最近，两个基因均与龙舌兰进化距离较远。通过Tail-PCR方法克隆得到了1-SST和1-FFT启动子序列，分别为起始密码子上游约1816bp和1611bp；利用PLANTCARE分析分别检测到140个和121个顺式作用元件；通过瞬时表达验证表明，1-SST和1-FFT启动子核心区域在基因上游-400bp以内和-296bp到-246bp之间。采用gateway技术，借助农杆菌侵染的方法，成功将1-FFT基因转入烟草，筛选得到3株转基因植株；转基因烟草植株果聚糖含量明显高于对照，说明1-FFT基因在转基因植株中催化了果聚糖的合成；采用PEG模拟干旱胁迫，发现转基因烟草抗旱性明显高于对照。证明了1-FFT基因催化合成果聚糖并进一步提升植株抗旱性的能力。本研究有助于阐释菊芋果聚糖代谢与植株抵御干旱的相互关系，对于果聚糖合成酶基因调控和转化以提高菊芋及其他作物的抗逆性具有一定的理论价值和实践意义。