蜡质含量不同小麦近等基因系抗旱能力的机理研究

Drought causes great yield losses worldwide especially in semi-arid and arid areas, while cuticular wax composition greatly impacts drought tolerance and yield. Therefore, it is very important to study the effect of wax on the drought resistance of wheat, but the related physiological and molecular mechanisms are rarely understood. In previous researches, we obtained two pairs of wheat nearly isogenetic lines (NILs) different in cuticular wax content, and it was observed that the higher cuticular wax content NILs have stronger drought resistance. In this project, two pairs of wheat NILs different in cuticular wax content will be compared in wax content, components and morphology to elucidate the key composition and crystallites determining wax functions. The physiological and biochemical parameters of plants will be compared in NILs under varying degrees drought to clarify the physiological mechanism of drought resistance and estimate the capacity of drought resistance in NILs. In addition, key genes, transcription factors and molecular regulation network controlling drought tolerance will be also identified and analyzed by transcriptome analysis. In all, the mechanism of wheat drought tolerance relating to wax biosynthesis will be systematically studied from cuticular wax biosynthesis and gene regulation, wax compositions and morphological structure, physiological and yield related traits under drought stress. The results will be very important for wheat genetic improvement for drought resistance and cultivation.

干旱对小麦产量有重要影响，蜡质与抗旱性关系密切，因此研究蜡质对小麦抗旱性的影响具有重要意义，而相关的生理和分子机制目前了解很少。前期研究中我们筛选到蜡质含量明显不同的小麦近等基因系（NILs），并且发现高蜡质品系具有更强的干旱抗性。本项目拟进一步①通过比较NILs干旱胁迫后蜡质含量、组成的变化以及形态结构的差异，明确影响抗旱性的关键蜡质成分及其形态特征；②通过比较不同干旱程度下叶片生理生化指标的变化，明确蜡质影响抗旱性的生理机制，筛选关键的生理指标，并且评价不同蜡质含量小麦NILs抗旱能力的差异；③通过产量及农艺性状的比较，明确蜡质对籽粒产量的影响；④通过转录组学比较，筛选与蜡质合成相关的基因、转录因子，解析蜡质影响抗旱性和籽粒产量的调控网络，为关键基因的功能验证、探讨其调控机制奠定基础。总之，系统探讨蜡质影响小麦抗旱性和产量的内在机制，为高产抗旱育种提供理论依据。

为了探讨叶片蜡质含量对小麦抗旱性的影响，本研究以蜡质含量不同的小麦近等基因系为实验材料，探究干旱条件下小麦蜡质结构的变化、抗旱能力以及蜡质含量与小麦叶片水分散失、光合特性变化等的关系。.结果显示，在正常浇水条件下多蜡质小麦表面蜡质明显高于少蜡质小麦，干旱处理以后多蜡质小麦和少蜡质小麦表面蜡质都明显增加。旗叶正面主要是线状结构，无序的分布在气孔周围，而背面主要为垂直片层状和柱状，蜡质整齐，但同样也分布在气孔周围。同一品系旗叶背面比正面的蜡质多。.轻度干旱胁迫（土壤相对含水量在60%-49%）下，多蜡质品系与少蜡质品系旗叶的光合速率无显著差异，随着干旱程度的加重，多蜡和少蜡质品系的光合速率都逐渐降低，但少蜡质品系下降幅度更大。在中度干旱胁迫（土壤相对含水量在49%-32%）下，多蜡质品系比少蜡质品系具有较高的水势和较大的气孔开度，因此CO2供应充足，光合速率更高；少蜡质品系的PSII实际光化学效率（ΦPSⅡ）和最大光化学效率（Fv/Fm）较多蜡质品系下降更快，说明少蜡质品系PSII电子传递受阻情况和光抑制比多蜡质品系更严重；快速叶绿素荧光动力学曲线参数分析（JIP-test）发现PSII电子传递受阻主要是因为受体侧QA到QB电子传递限制。在重度干旱胁迫（土壤相对含水量下降到32%以下）时，多蜡质与少蜡质品系的水势和光合能力都大幅下降且二者间没有明显差异。干旱胁迫下多蜡质小麦品系的籽粒产量高于少蜡质品系, 平均高 3.7%; 多蜡质小麦品系的抗旱指数和干旱敏感指数均显著低于少蜡质小麦品系。转录组分析多蜡质和少蜡质间差异基因参与蜡质合成相关基因共有12个，位于小麦1D（1个）、2A（1个）、2B（1个）、2D（2个）、4A（1个）、4D（1个）、6A（1个）、6D（1个）、7A（1个）和7D（2个）染色体，涉及脂肪酸生物合成、角质和木栓质生物合成以及蜡质生物合成三个代谢途径。结果为选育抗旱小麦新品种和栽培提供理论指导。