HvDGAT1基因调控大麦生殖期低温耐受性的分子机制

The Tibet plateau is one of the origin areas of barley. Diacylglyceryl transferase 1 (DGAT1) is the speed-limiting enzyme that controls the conversion of diacylglycerol (DAG) to triacylglycerol (TAG). Preliminary results showed that HvDGAT1 could be induced by low temperature, and there were a number of special variations of this gene in Tibetan barley, suggesting that HvDGAT1 was involved in regulating the low temperature response of barley. This project intends to build HvDGAT1 knockouts and overexpressors, and we will utilize plant physiology, transcriptome and lipidomics methods to analyze their phenotype under low temperature (anther morphology, pollen morphology and activity, etc.), low temperature response gene regulatory networks and lipid composition (phospholipids, DAG and TAG, etc.). Moreover, the polymorphism of DGAT1 in Tibet wild barley and landrace worldwide as well as the typical varieties were chosen to analyze the cold tolerance, aiming to dissect the mechanism of HvDGAT1 in regulation of low temperature tolerance of barley at reproductive stage and lay the foundation for molecular breeding of chilling-resistant barley.

高寒的青藏高原是大麦起源地之一，西藏野生大麦蕴含丰富的抗逆基因。二酰甘油酰基转移酶1（DGAT1）是控制二酰甘油（DAG）向三酰甘油（TAG）转化的限速酶，两者的比例及与膜磷脂的转化程度影响细胞膜稳定性及植物的耐寒性。前期结果表明HvDGAT1能被低温诱导，且该基因在西藏大麦中存在多个特殊变异，推测HvDGAT1参与调控大麦的低温响应。本项目拟构建HvDGAT1过表达及缺失大麦，利用植物生理学、转录组学与脂质组学等手段分析其在低温下的表型（花药形态、花粉形态及活力等）、低温响应基因调控网络和脂质组成（磷脂、DAG及TAG等），以及分析DGAT1在野生大麦及世界各地品种的遗传多态性及典型品种的耐寒性，解析HvDGAT1在大麦生殖期耐寒性中的功能及作用机制，为选育生殖期耐寒的大麦品种提供理论支撑。

高寒的青藏高原是大麦起源地之一，西藏野生大麦蕴含丰富的抗逆基因。二酰甘油酰基转移酶1（DGAT1）是控制二酰甘油（DAG）向三酰甘油（TAG）转化的限速酶，两者的比例及与膜磷脂的转化程度影响细胞膜稳定性及植物的耐寒性。研究结果结果表明HvDGAT1能被低温诱导，且该基因在西藏大麦中存在多个遗传变异。我们利用BarleyVar数据库预测了西藏野生大麦与栽培品种可能存在的基因差异，通过分子标记结合测序技术分析了258份大麦材料二酰甘油酰基转移酶基因的遗传多态性，结合苗期低温实验及生殖期(抽穗期)低温耐受性分析实验，结果表明表现型与基因型联系不紧密。. 通过前期实验筛选了两对极端敏感和耐受的大麦品种，采用脂质组学方法详细分析在低温条件下，其细胞膜膜脂质成分的变化模式及响应机制。共鉴定出56种脂类化合物，部分脂类含量在冷冻胁迫后发生了显著变化。低温处理后，耐冻品种的磷脂酸（PA）、溶血磷脂酸(LPA)和单半乳糖二酰甘油（MGDG）含量显著高于冷冻敏感品种。LPA、PA、PMe、cPA和MGDG脂质总含量显著增加，而LdMePE、PE、SPH、SPHP、LSM和CerG2GNAC1脂质总含量显著下降；低温敏感品种的LPA、PA、PMe、cPA总脂质含量显著降低，而LdMePE、PE、SPH、SPHP、LSM、MGDG和AcHexSiE显著增加。低温胁迫后，低温耐受品种的总脂质含量有少量增加或保持稳定，而低温敏感品种的总脂质含量显著减少。以上结果表明耐受及敏感大麦品种在低温胁迫条件下的膜脂重塑方式不同。. 采用实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)检测了低温胁迫下大麦与脂质代谢相关基因的表达。短期冷胁迫下，耐冻品种品种A和B的单甘油酯脂肪酶(MGLL)表达低于品种C和D，在长期冷胁迫下则相反。耐冻品种A在经过4 ℃低温处理后，其DGAT1的表达量显著增加，SFR2的表达量在48 h达到最高。研究表明，大麦叶片冻伤与脂质代谢的变化有关，耐冻品种可以通过维持膜脂质稳态来减轻冻害，这些结果促进了我们对大麦抗冻机制的认识，有助于推进大麦抗冻育种进程。本项目构建的HvDGAT1过表达及缺失大麦还需进一步鉴定，用于后续研究。