气孔发育关键基因STOMAGEN在玉米中的功能研究

STOMAGEN基因是新近在拟南芥中首次发现的正向调节气孔发育的关键基因，它所编码的功能肽段在维管植物中是高度保守的，但在单子叶植物中的功能尚不清楚。前期，我们在玉米中克隆到一个长407 bp 的STOMAGEN-like基因，该基因编码的氨基酸序列与STOMAGEN基因编码的功能肽段的序列高度一致（92%，41/45），推测STOMAGEN-like基因的功能与气孔发育有关。本项目采用反向遗传学、RNAi、转基因、荧光定量PCR、表型检测等技术，对STOMAGEN-like基因的序列，组织、诱导表达特性以及在玉米中的功能进行研究。构建该基因的系统进化树，阐明该基因的组织和诱导表达特性，鉴定其功能，揭示STOMAGEN-like基因在单子叶植物进化中的功能保守性和特异性。本研究将为深入揭示单子叶植物气孔发育机制奠定基础，为改良气孔密度性状培育高光效有应用前景的作物新品种积累基因资源。

气孔分布和构成在单子叶植物和双子叶植物中存在很大差异，而STOMAGEN基因是新近在拟南芥中首次发现的正向调节气孔发育的关键基因，它所编码的功能肽段在维管植物中是高度保守的，但在单子叶植物中的功能尚不清楚。我们在玉米中克隆到一个长407 bp 的ZmSTOMAGEN基因，该基因编码的氨基酸序列与STOMAGEN基因编码的功能肽段的序列高度一致（92%，41/45），推测ZmSTOMAGEN基因的功能与气孔发育有关。本项目采用了反向遗传学、转基因、荧光定量PCR、表型检测等技术，对ZmSTOMAGEN基因的序列，组织、诱导表达特性以及在玉米中的功能进行研究。结果表明，ZmSTOMAGEN基因编码一个含有123个氨基酸的小肽，该肽段含有六个保守的半胱氨酸，两两结合形成二硫键来维持该蛋白的三维结构。我们还发现ZmSTOMAGEN基因在不成熟组织里表达量较高（如幼叶、叶鞘等）但在成熟叶里不表达。在不同组织中气孔指数和ZmSTOMAGEN基因的表达是一致的。对该基因启动子分析发现，在启动子区存在很多干旱、ABA和光响应元件，这些元件或许与该基因的表达相关。进一步的光强实验表明，强光可以诱导气孔的产生，有助于气孔指数的提高，这与ZmSTOMAGEN基因的高表达相一致；干旱胁迫实验同样证明，随着干旱胁迫程度的加重，气孔指数表现出增加的趋势，气孔长度和气孔宽度表现出减小的趋势。而ZmSTOMAGEN基因的表达量随着干旱程度的加重呈现出上升的趋势。转基因研究发现，转基因型玉米中ZmSTOMAGEN基因的表达量高于对照，且ZmSTOMAGEN基因的过表达引起了玉米叶片气孔增多。对转基因玉米的光合效率分析发现，转基因型玉米的净光合速率高于对照，转基因型玉米的光饱和点也高于对照，转基因型玉米的光补偿点低于对照。这些结果说明ZmSTOMAGEN具有调节玉米气孔发育，增强玉米光合效率的功能。本研究阐明了ZmSTOMAGEN基因与STOMAGEN基因的保守性。这为改良气孔密度性状培育高光效有应用前景的作物新品种提供了理论依据和基因资源。