转录因子AtDREB1A基因提高马铃薯抗旱性的机理

Drought response transcription factor AtDREB1A can regulate the expressions of a series of drought-related genes. It is a more effective way to improve drought tolerance of potato to transfer AtDREB1A into potato. At present, scientists have done a lot of research on the resistance improvement of potato by transferring AtDREB1A gene, but the mechanism of AtDREB1A improving potato drought-resistance is not comprehensive enough. In this project, mini potatoes of AtDREB1A transgenic lines and non-transgenic control Longshu 3 (S3) will be used as materials and sew in pot. Simulating natural drought process, according to variation of the growth indexes, physiological and ecological indexes, tuber yield and quality traits of different growth stages under different drought stress, physiological and biochemical response induced by expression of AtDREB1A gene will be mastered. Then the differential gene expression profiles of leaves and roots between DR2 and S3 will be set up respectively through RNA-Seq base on the next-generation sequencing system of HiSeq 2500, and the protein-coding genes differentially express will be screened and will be entered into Gene Ontology (GO) and KEGG pathway analysis. Furthermore, the genes of expression differences more than 200 times between DR2 and S3 will be verified through the Reverse transcription PCR and Real-time quantitative PCR, and three to six important genes in key pathway will further functionally analyzed by investigating their temporal and spatial expression patterns in two different tissues (leaves and roots). These results will uncover the mechanisms of AtDREB1A improving potato drought-resistance, and will provide theoretical basis for scientific application of AtDREB1A in crop transferring.

转录因子AtDREB1A基因可以调控一系列耐旱相关基因的表达，现已用于马铃薯抗旱性的改良，但AtDREB1A提高马铃薯抗旱性的机理研究仍不全面。本项目拟以前期获得的AtDREB1A转基因株系DR2和对照S3为试验材料，采用盆栽试验，在研究不同水分胁迫下不同生育期各株系生长、生理生化特性及块茎产量和品质变化规律，以明确AtDREB1A基因表达引起的生理生化响应的同时；借助高通量测序平台进行RNA-Seq，构建DR2和S3两组间叶片和根系的差异基因表达谱，筛选出两者表达差异显著的蛋白编码基因并进行功能注释、聚类分析和代谢通路分析，结合RT-PCR和Real-time-PCR验证结果，探明转基因马铃薯中受AtDREB1A调控的下游基因。在此基础上，结合生理生化变化规律及基因转录调控规律，经综合分析阐明AtDREB1A提高马铃薯抗旱性的机理，为科学应用AtDREB1A提供理论依据。

转录因子DREB1A/CBF3基因可以提高马铃薯的抗逆性，目前，对其调控机理的研究很多，但都不够全面。本研究以陇薯3号及其转AtDREB1A基因株系为试验材料，采用盆栽试验，在比较不同生育期转基因和对照材料叶片和根系在不同水分胁迫下生理生化响应的同时，利用转录组测序及生物信息学分析方法，从转录组水平上全面地分析了基因的表达差异，并结合生理生化和分子响应规律综合分析了AtDREB1A提高马铃薯抗旱性的机制。主要结果如下：.（1）在整个胁迫过程中，转基因材料的生物量、叶片相对含水量、叶绿素含量、叶片净光合速率始终高于对照；在中（FWC的55-60%）、重度（FWC的45-50%）胁迫下，转基因材料的抗氧化酶（SOD、CAT和POD）活性、脯氨酸含量、内源激素ABA和IAA含量都显著高于对照，叶片相对电导率和丙二醛含量显著低于对照。在4种不同的干旱胁迫下，转基因材料的单株产量均显著高于对照，除块茎干物质和淀粉含量在中、重度胁迫下显著高于对照外，其余各营养品质在各处理间均无显著差异。.（2）胁迫程度越强，转基因材料相对于对照的差异表达基因越多，且同一基因在不同胁迫下的表达量不同；在同一胁迫处理下，根系和叶片差异表达基因的数目及表达模式也不尽相同。尽管如此，功能注释和显著性富集结果表明，差异表达基因富集都主要涉及信号传导、氧化还原、生物调解、应激反应、发育过程、系统免疫过程、核酸和蛋白结合转录因子活性、转运活性及催化活性等功能。其中脱落酸代谢相关基因、受体蛋白激酶、过氧化物酶家族基因、糖基水解酶家族、磷酸诱导蛋白、热激蛋白和细胞色素P450蛋白家族的大量基因表达量发生较大的变化。.（3）综合分析表明，AtDREB1A基因主要通过直接或间接调控参与植物激素信号转导，次生代谢产物的生物合成、运输和分解代谢，碳水化合物运输和代谢以及氨基酸转运与代谢等相关的基因表达，有效地调控关键代谢物的合成代谢途径，提高渗透调节能力、活性氧清除能力和细胞膜稳定性，最终增强了马铃薯的抗旱能力。研究结果为科学应用AtDREB1A提供了理论依据。