强冬性小麦新型抗冻基因TaIRI3和TaIRI4的克隆及功能研究

低温冻害是影响冬小麦返青率的主要因素，提高小麦抗寒力对于扩大冬小麦种植面积和产量的提高具有重要意义。小麦抗寒力与IRI蛋白密切相关，而对其基因家族组成、功能及表达调控的研究较少，限制了对小麦抗寒机理的深入了解。本研究拟在前期已获得的新型基因TaIRI3和TaIRI4部分序列的基础上，以强冬性小麦为材料分离基因全长编码区和启动子，分析启动子结构和功能；在分子水平上利用实时荧光定量PCR技术对不同IRI基因的表达进行比较，揭示IRI基因表达规律；在蛋白水平上对不同IRI基因进行原核体外表达，表达产物分离纯化后进行抗冻功能比较，并将IRI基因转化烟草分析抗寒力变化，从而进一步鉴定小麦IRI蛋白的功能。本研究将为了解IRI基因表达调控机理和小麦抗寒分子机制提供重要参考，同时为抗寒新基因的发掘及利用转基因技术提高小麦抗寒力奠定理论基础。

低温冻害是影响冬小麦返青率的主要因素，提高小麦抗寒力对于扩大小麦种植面积和产量的提高具有重要意义。小麦抗寒力与抗寒相关蛋白密切相关，而对其基因家族组成、功能及表达调控的研究较少，限制了对小麦抗寒机理的深入了解。本研究以强冬性小麦为材料克隆得到9个抗冻蛋白IRI基因全长序列和2个抗寒蛋白SAD基因，并对基因进行了结构比较和分子进化分析，表明来源于小麦品种的IRI基因分属于基因家族的不同类型，证明了抗寒相关基因在小麦基因组中存在多个拷贝，且不同拷贝或不同成员存在明显的多态性，同时发现抗寒基因家族分类及其与基因拷贝数的界定没有明确的概念。基于这一发现课题组后续将进行抗寒基因及其启动子拷贝数鉴定工作，同时结合结构分析进行基因家族成员鉴定工作，为科研工作的持续性奠定基础，为有针对性的分离抗逆基因并研究其在进化过程中遗传变异规律提供重要参考；基因表达量分析结果在分子水平证明了不同IRI基因表达量存在明显差异，TaIRI3的表达量高于其他IRI基因，为确定基因家族中优势基因提供了参考；利用染色体步移技术获得了7个IRI基因启动子区段，结构分析发现该类型启动子具有典型原件，还具有特殊原件和位点，且普遍存在结构变异，所有序列体现了丰富的多态性。这正与IRI基因家族成员多态性丰富相对应，为我们进一步研究基因表达调控的分子机制提供了理论基础；根据序列比对和基因表达结果，选择代表性IRI基因进行原核体外表达研究，表达出的活性蛋白对大肠杆菌的抗冻性提高起到了一定作用，证明了IRI蛋白的抗冻活性，且7号基因表达的蛋白抗冻活性最高。过表达研究结果表明，来源于强冬性小麦的IRI基因可提高烟草的抗寒性，7号基因同样表现出最强的抗寒能力。相关研究内容已发表在SCI收录期刊Molecular Biology Reports、Biochemistry (Moscow)和Genes & Genomics，国际英文期刊J Plant science、Middle-East Journal of Scientific Research和Journal of Chemical, Biological and Physical Sciences，以及中文核心期刊《华北农学报》上。本项目将为了解IRI基因表达调控机理和小麦抗寒分子机制的明确提供重要参考，同时为抗寒新基因的发掘及利用奠定理论基础。