尖叶石竹表皮蜡质合成基因的耐旱调控机理研究

Plant cuticular wax plays an important role in the regulation of plant drought tolerance by reducing non-stomatal water loss on the leaf surface. Therefore, the functional characterization of the key regulatory genes involved in cuticular wax biosynthesis is important for the genetic improvement of drought tolerance of plant, which is of great significance for molecular breeding. In a recent study, we characterized a novel Dianthus spiculifolius mutant with increased cuticular wax, named GG. Under drought stress, the non-stomatal water loss of GG mutant leaves was slower, and it showed stronger drought tolerance. The differentially expressed genes (DEGs) in the GG mutant leaves were found to be significantly enriched in the wax biosynthesis pathway by transcriptome analysis. Finally, three highly expressed key DEGs (DsCER1, DsWSD1 and DsMAH1) involved in in the regulation of wax biosynthesis were identified. Therefore, we speculated that the enhanced expression of these three key genes (DsCER1, DsWSD1 and DsMAH1) may enhance the drought tolerance of GG mutant by increasing the content of cuticular wax. Based on these results, we intend to verify the functions of DsCER1, DsWSD1 and DsMAH1 genes in waxy biosynthesis, and further analyze their roles and physiological mechanisms in the regulation of plant drought tolerance. These genes will be important genetic resources for drought tolerance improvement and molecular breeding of economic crops (especially Carnation).

植物表皮蜡质通过减少叶表面的非气孔性失水进而参与植物耐旱调控。因此，表皮蜡质合成调控基因的识别及功能鉴定对于植物的耐旱遗传改良和分子育种具有重要意义。在最近的研究中，我们从尖叶石竹（Dianthus spiculifolius）中鉴定出一个高表皮蜡质突变体，命名为GG。干旱胁迫下GG突变体的非气孔性失水更慢因而表现出更强的耐旱性。通过转录组分析发现GG突变体叶中的差异表达基因显著富集在蜡质生物合成途径中。最终，从该途径中识别出三个高表达的关键调控基因DsCER1，DsWSD1和DsMAH1。由此我们推测这三个基因的增强表达可能引起了突变体表皮蜡质的增加，进而使其获得了更强的耐旱能力。在此研究基础上，本项目拟对这三个关键基因在蜡质生物合成中的功能进行验证，并进一步解析它们在耐旱调控的作用及其生理机制。这些蜡质合成调控基因对于经济作物（尤其是香石竹）的耐旱遗传改良和分子育种是重要的基因资源。

植物表皮蜡质通过限制叶表面的非气孔性失水进而参与植物的耐旱调控。因此，表皮蜡质合成关键调控基因的识别与功能鉴定对于植物的耐旱遗传改良和分子育种具有重要意义。本项目研究中，我们以尖叶石竹（Dianthus spiculifolius）的高表皮蜡质（HW）为研究材料，对其表皮蜡合成的关键调控基因进行了筛选和功能鉴定。结果显示HW材料相比野生型（WT）具有更高的抗旱性、抗盐性和耐寒性，而且这种抗性的增强与其更高的表皮蜡质直接相关。GC-MS分析显示二十八醇（C28H58O）、二十醛（C20H40O）、三十一烷（C31H64）、二十七烷（C27H56）和β-二酮（C23H44O2）为尖叶石竹表皮蜡质的主要组分。进一步，我们利用比较转录组测序从HW叶中识别出三个可能的表皮蜡合成关键基因DsCER26，DsWSD1和DsMAH1。亚细胞定位显示DsCER26，DsWSD1和DsMAH1都主要定位在内质网上。转基因实验显示DsCER26的过表达可以通过减少叶的非气孔失水而提高了转基因水稻的耐旱性，而DsWSD1和DsMAH1的过表达则没有引起类似表型。进一步的GC-MS分析显示转基因水稻叶表皮蜡组分中的二十七烷（C27H56）和三十一烷（C31H64）含量明显增加。同时，DsCER26与水稻中的β-酮脂酰辅酶A合酶（OsKCS6）存在相互作用。这些结果表明DsCER26的过表达能够通过与水稻中的OsKCS6互作促进表皮蜡烷烃（C27和C31）的合成和累积，进而增强了高温胁迫下水稻叶的保水能力及其耐旱性。DsCER26的转基因的WT尖叶石竹出现了类似HW的高蜡表型。总体看来，我们鉴定出一个尖叶石竹表皮蜡烷烃的关键调控基因DsCER26，它可以作为今后植物耐旱遗传改良和分子育种的优异基因资源，具有重要的应用价值。