线果芥CpNSP5基因参与干旱胁迫响应的分子机制研究

Drought stress is a common abiotic stress factor that ultimately determine the distribution of land plants and adversely affect the agricultural productivity of crops worldwide. We can enhance drought resistance of crops with genetic engineering effectively. It is significant that screening drought tolerance plant germplasm resources and exploring stress tolerance gene. The metabolic network of glucosinolates is related to defence reaction of plant. NSP proteins are nitrile-specifier proteins that can change degradation pathway of glucosinolates by binding myrosinase. We have cloned and charactered a CpNSP5 gene from Conringia planisiliqua under drought stress. The study will be carried out. ①Analysis expression pattern and function of CpNSP5; ②Analysis transcriptome of transgenic Conringia planisiliqua by CpNSP5; ③Research on upstream genes of CpNSP5 gene; ④Research on interact proteins of CpNSP5 protein；⑤Analysis the relationship between glucosinolate-myrosinase system and responses to drought stress. Our results will find potential genes whose functions are known for crop stress resistance genetic engineering, reveal the molecular mechanism of eremophyte responsing to drought stress further, and help to understand ecological adaptability of eremophyte deeply.

干旱胁迫是限制植物生长、分布及生产的重要非生物胁迫因素之一。抗旱基因工程可有效提高作物抗旱能力。从荒漠植物中筛选优良抗旱种质资源、发掘抗旱基因对研究植物抗旱机制意义重大。芥子油苷代谢网络与植物防御反应有关。NSP蛋白是一类通过作用于黑芥子酶改变芥子油苷降解途径的特异蛋白。在前期研究基础上，本研究拟以荒漠植物线果芥中抗旱相关基因CpNSP5为对象，开展以下研究：①CpNSP5基因表达特性及抗逆功能分析；②CpNSP5基因转化线果芥转录组测序分析；③调控CpNSP5基因应答干旱胁迫的上游转录因子研究；④CpNSP5蛋白互作蛋白筛选；⑤线果芥芥子油苷及其降解产物与干旱胁迫关系分析。研究结果将有助于理解芥子油苷代谢系统与植物响应干旱胁迫通路之间的联系，为明确NSP蛋白抗旱功能及分子机制提供依据，并为作物抗旱基因工程提供功能明确的候选基因。本研究不仅在理论上有重要意义，在生产上也具有一定的应用价值。

干旱胁迫是限制植物生长、分布及生产的重要非生物胁迫因素之一。荒漠植物线果芥是发掘抗旱基因、研究植物抗旱机理的优良种质资源。NSP蛋白是一类通过作用于黑芥子酶改变芥子油苷降解途径的特异蛋白，与植物防御反应有关。本项目以荒漠耐逆植物线果芥中抗旱相关基因CpNSP5为对象开展研究，取得以下结果：（1）CpNSP5基因表达模式分析、抗逆功能鉴定。实时荧光定量PCR试验表明CpNSP5基因受干旱、盐等逆境胁迫诱导表达。亚细胞定位试验表明CpNSP5蛋白定位于细胞质中。土壤干旱复水试验、根长抑制试验表明转基因拟南芥的抗旱性显著提高，CpNSP5基因可作为植物抗逆基因工程候选基因。（2）线果芥干旱转录组测序分析。对线果芥进行了不同时长的干旱转录组测序，注释分析获得33175个基因转录本，发掘新转录本1573个，筛选得到线果芥响应干旱胁迫基因集。（3）CpNSP5基因上游调控蛋白筛选。对线果芥NSP家族、拟南芥NSP家族成员进行生物信息学分析，克隆得到CpNSP5基因启动子序列。结合线果芥干旱转录组结果，筛选得到调控CpNSP5基因表达的上游转录因子CpHSF。（4）转CpNSP5基因拟南芥干旱转录组测序分析。以野生型拟南芥为对照，对抗旱性高的2个转基因拟南芥株系进行转录组测序分析。发掘新转录本162个。获得CpNSP5基因转化引起的差异表达基因集及代谢通路。（5）转CpNSP5基因拟南芥代谢组分析。以野生型拟南芥为对照，对2个转基因拟南芥株系进行代谢组测定，揭示了CpNSP5基因影响芥子油苷代谢途径，同时影响苯丙素、黄酮、2-氧羧酸等植物次生代谢物代谢网络，最终提高植物抗逆性。筛选得到植物抗逆性相关的次生代谢物集合。研究结果有助于理解CpNSP5蛋白通过影响芥子油苷代谢系统提高植物抗逆性的分子机理，并为作物抗旱基因工程提供了候选基因。研究结果具有一定的理论意义及生产应用价值。