小麦表皮超长链脂肪醇合成酶基因FAR的克隆及功能分析

Research on the mechanisms of wheat drought resistance and water-saving can improve the performance of wheat drought resistance on water stress condition, speed up the breeding for high-yielding and water-saving wheat cultivars and solve the wheat safety supply problem by stablely increase the yield of wheat production. Plant cuticular waxes play an important role in water-saving and drought resistance, so the research on plant cuticle become a hot research area in recent years, and has made a lot of breakthrough, especially on waxes biosynthesis of arabidopisis thaliana. The biosynthesis of wheat waxes has not been reported yet. In this project we are intending to clone fatty acyl-coenzyme A reductase (FAR) genes involved in the biosynthesis of primary very long chain fatty alcohols which are the principal components of wheat cuticular waxes, and functionally characterize these genes through the expression in yeast and transgenic tomatoes. Based on the functional analysis, we could clarify the biosynthetic mechanism and water-saving capacity of very long chain fatty alcohols in cuticle, and explore the difference in drought resistance compared with very long chain fatty alkanes. These results will provide a reasonable explanation for the alternative preferences on wax components for different plant species in the evolutionary process to adapt to the different living environment.

研究小麦抗旱节水的机理对提高小麦的抗旱性、加快抗旱节水型高产小麦品种的选育以及稳定提高小麦的产量、解决小麦的安全供应都有重要的推动作用。作物表皮蜡质在植物的抗旱保水上起着主导性的作用，所以蜡质的研究在最近几年成为国际上一个研究热点，并在模式植物上取得了很多突破性进展，特别是拟南芥蜡质的生物合成研究。小麦的蜡质合成还未见报道。本研究拟克隆小麦表皮蜡质主成份一级脂肪醇合成酶基因，并通过异源转基因表达来研究其功能，以此来阐明多倍体的小麦表皮中超长链脂肪醇的生物合成机理以及超长链脂肪醇在植物表皮抗旱保水性方面的生物学功能；在此基础上探讨植物在蜡质合成中酰基还原途径产生的超长链脂肪醇和脱羧途径合成的超长链脂肪烷烃在抗旱性能上的差别，最终为不同物种在进化过程中为了适应不同的生存环境而在蜡质成份的合成上有不同的偏好提供合理的解释。

小麦表皮蜡质可以限制非气孔性水分散失，提高小麦的保水抗旱性。已有的研究表明，超长链脂肪醇是小麦早期叶片蜡质的主要成分，但其生物合成过程仍没有相关报道。本项目首先对不同蜡质表型的小麦在整个生育期的蜡质动态发育过程进行了细致的检测，在此基础上利用转录组测序及同源基因克隆等方法克隆到5个小麦表皮蜡质脂肪醇合成酶基因，并对其功能进行了详细研究。.本项目的主要研究内容包括：1) 克隆小麦表皮中超长链脂肪醇合成酶的编码基因；2)在酵母中异源表达克隆的基因来检测验证其生化功能；3)在转基因番茄中异源表达候选基因，通过对转基因番茄植株蜡质脂肪醇变化的检测在植物中验证其功能；4) 荧光定量PCR 检测目标基因在小麦不同器官以及相关逆境胁迫下的表达模式。.主要研究结果表明：在整个小麦生育期，叶片和穗表皮蜡质含量的发育趋势均呈先增加，然后降低。叶片蜡质在苗期以脂肪醇为主，占其蜡质总量的90%以上，其中尤以C28脂肪醇为主。开花期，小麦的蜡质组分主要包括脂肪醇、烷烃和二酮，所占的比例分别为40%、20%和25%。通过转录组测序分析发现至少32个以上的脂肪酸酰基辅酶A还原酶基因（FAR）可能参与小麦表皮蜡质主要组分超长链脂肪醇的合成，这些基因的表达模式具有明显的发育时期或器官特异性。从小麦叶片中克隆到5个脂肪醇合成酶基因，分别命名为TaFAR1、TaFAR2、TaFAR3、TaFAR4、TaFAR5，并在酵母中异源表达来验证其合成脂肪醇的功能，其中，TaFAR1和TaFAR5在酵母中能合成C22脂肪醇；TaFAR2、TaFAR3、TaFAR4在酵母中分别合成C18脂肪醇、C28脂肪醇和C24脂肪醇。5个TaFAR基因均获得大量转基因株系，并且转基因株系的叶片和果实中脂肪醇的含量比对照显著升高。TaFAR1 TaFAR2、TaFAR3、TaFAR4、TaFAR5主要在小麦的叶片和花药中表达，而且5个TaFAR蛋白均被定位于内质网。5个TaFAR基因能够受干旱、低温和ABA的诱导表达。在干旱条件下，小麦的表皮蜡质含量显著升高。该研究结果对于理解小麦蜡质脂肪醇合成以及抗逆性具有重要科学意义。.