小麦保卫细胞中ABA信号通路新组分的发掘及功能研究

Plant stomate is surrounded by two guard cells. The components of abscic ascid(ABA) signaling pathway will transduce environmental stimuli and eventually decrease stomatal aperture to adapt stress conditions. Therefore, identification of signal components is very important for clarification of the mechanism underlying the stomatal responses to stresses. A series of signal components have been well characterized from kidney-shaped guard cells of Arabidopsis. While most of major cereals, such as wheat, hold dumbbell-shaped guard cells closely adjoined to similar-sized subsidiary cells, which make stomatal control more precise and efficient. But transcriptomic studies on dumbbell-shaped guard cells have stagnated due to extreme difficulties in isolating guard cells from other types of cells. To address this problem, we have successfully isolated highly purified wheat guard cells with high physiological activity. In this study, we will identify guard cell expressed and ABA responsive genes by transcriptomic analysis of single-type cells; in combination of coexpression data and stress responsive data of wheat microarray database, candidate genes which are guard cells preferentially expressed, ABA responsive, coexpressed with stomatal related genes, and various stresses responsive, will be selected for wheat transformation; the analysis of stomatal functions will be carried out using candidate genes overexpressing transgenic wheat. Through this study, specific components of dumbbell-shaped guard cells are expected to be identified and results obtained will enrich the theory and application of plant stress resistance.

植物气孔由两个保卫细胞围成。在干旱或盐碱等逆境条件下，脱落酸（ABA)信号通路的组分会介导信号传递，减小气孔开度，来适应环境胁迫。因而，鉴定信号组分对揭示气孔逆境应答机制非常重要。前人已鉴定了拟南芥肾形保卫细胞的信号组分。而小麦等主要农作物的保卫细胞多为哑铃形，在保卫细胞外还有紧密相接的副卫细胞，使得气孔调控更加精确高效，但因二者很难分开，导致分子机理研究受限。本研究前期成功分离出高纯度高生理活性的小麦保卫细胞和表皮长细胞，拟采用单一类型细胞的转录组测序及生物信息学的方法，获得ABA应答基因及在保卫细胞表达的基因，并构建ABA信号组分间的蛋白质互作网络；结合小麦逆境应答数据库和共表达分析，选取保卫细胞表达、ABA应答、多种逆境应答且与气孔相关基因共表达的候选基因；转化小麦，从不同角度分析转基因小麦的气孔功能。本研究有望鉴定出哑铃形保卫细胞特有的信号组分，丰富植物抗逆的理论和实践。

植物气孔由两个保卫细胞围成，在逆境胁迫下，保卫细胞会调节气孔开闭，来控制水分的散失和CO2气体的交换，调整生长和发育的状态，以适应环境变化。因而，保卫细胞应答逆境信号的研究，有利于揭示植物抗逆的机制。鉴定逆境信号通路的组分，是揭示保卫细胞应答逆境反应分子机制的基础。对于粮食安全具有重大意义的小麦的保卫细胞为哑铃形，在保卫细胞外有紧密相接的副卫细胞，使调控更加精细和高效，但同时由于副卫细胞与保卫细胞大小相近，二者难以分离开。因而，哑铃形保卫细胞表达谱的研究尚未开展起来。本研究采用普通小麦的胚芽鞘为实验材料，对脱落酸（ABA）处理后的小麦保卫细胞进行单一类型细胞分离，得到高纯度、高生理活性的保卫细胞，对其进行高通量转录组测序。结果发现保卫细胞中有9829个差异表达基因，其中有7989个差异基因上调表达，1840个基因下调表达。这些特异表达基因编码ABA、茉莉酸、水杨酸、生长素和油菜素内酯等多种激素信号以及钙信号通路的元件、脂类代谢蛋白、蛋白激酶、转运蛋白、离子通道、转录因子及其他逆境相关蛋白。通过生物信息学分析，鉴定了40个气孔信号转导相关的差异基因。在此基础上，克隆了一系列编码气孔信号组分和逆境应答蛋白的基因，构建过表达载体，采用农杆菌介导的蘸花法获得转基因拟南芥植株。对其中关键候选基因TaCIPK25与TaWD40过表达植株进行表型鉴定结果表明，与野生型Col-0相比，TaCIPK25与TaWD40转基因植株具有更强的耐旱性，离体叶片失水率显著低于野生型。在ABA处理条件下，转基因植株对ABA超敏感，气孔开度显著小于野生型。在NaCl的处理下，转基因植株表现出显著耐盐性。此外，对TaWRKY71在小麦中功能也进行了初步研究，结果表明TaWRKY71缺失显著降低了小麦耐旱性。我们的研究结果为小麦保卫细胞响应干旱胁迫的分子调控机制提供了证据，揭示了小麦应答非生物逆境胁迫的分子机制，并为小麦抗逆育种提供理论基础。