逆境胁迫下水稻黄嘌呤脱氢酶XDH的表达及其延缓衰老的作用机制研究

超级稻生育后期逆境胁迫常导致功能叶片的早衰，造成结实率低、空秕率高，产量潜力难以发挥。黄嘌呤脱氢酶(Xanthine dehydrogenase, XDH)是嘌呤代谢过程中起关键作用的酶，与氮代谢、活性氧代谢、激素代谢等有关，参与调控植物的衰老过程。目前人们尚不清楚XDH基因参与调控植物衰老的作用机制。本研究利用Northern杂交或实时荧光定量PCR、转基因表达等技术研究水稻叶片和根系XDH基因表达特性及其启动子特异型表达活性，从基因的表达和调节控制水平及生理生化方面揭示XDH基因参与调控衰老的作用机制；研究逆境胁迫下钼素水平、尿囊酸与尿囊素、氮素用量与类型等的体外处理调节水稻XDH活性，探讨通过体外处理调节XDH活性延缓水稻衰老的可能性。为延缓超级稻生育后期功能叶片与根系的衰老，提高超级稻结实率和籽粒饱满度提供理论依据。

本研究利用实时荧光定量PCR、转基因表达等技术研究水稻叶片和根系XDH基因表达特性及其启动子特异型表达活性，从基因的表达和调节控制水平及生理生化方面揭示XDH基因参与调控衰老的作用机制。主要研究成果如下：.(1) 构建了OsXDH基因的过表达载体和干扰载体，并通过农杆菌介导转入受体品种日本晴，获得了水稻XDH过表达与干扰转基因株系，并测定了叶绿素含量，分析了OsXDH基因的表达和XDH酶活性。结果表明XDH超表达的株系株高较WT和Ri株系高，叶色浓绿，叶绿素含量高，表现衰老延迟；而XDH干扰株系植株矮小，叶片黄化，叶绿素含量较低，表现过早衰老；(2) 利用半定量RT-PCR和real-time PCR的方法检测水稻苗期根、茎、叶和不同生育时期叶片OsXDH mRNA转录丰度及水稻OsXDH基因表达模式。结果表明水稻OsXDH基因具有组成性表达特性，但在不同生育时期表达水平有差异，其中在苗期和分蘖期的表达量较低，在灌浆期的表达量最高。应用real-time PCR对水稻OsXDH上下游基因(UO、ALN、AAH)及衰老相关基因(SGN2、WRKY23、WRKY53、GH27、Pse(t)、ACD1、XERO1)的表达进行分析。结果显示野生型和XDH过表达转基因株系UO的表达量较高且没有显著差异，在XDH干扰转基因株系表达量较低；ALN和AAH在XDH干扰株系表达量较高，野生型次之，XDH过表达株系表达量最低；与野生型植株相比，XDH干扰株系水稻衰老相关基因表达水平显著上升，过表达植株中的表达水平下降。构建了启动子与报告基因GUS的融合表达载体，通过对转基因植株进行化学染色，发现转基因植株中的GUS基因在苗期根及芽尖处表达，根部GUS表达有差异，根冠处表达量最高，分生区次之，伸长区表达量最低。暗胁迫下过表达株系变黄化较缓慢，野生型次之，干扰株系黄化较快；过表达植株暗胁迫下后期体内尿囊素、尿囊酸含量较高，而Ri植株尿囊素、尿囊酸含量减少；(3) 对本实验室已有的江西、广西与贵州等地部分品种资源进行苗期叶片XDH酶活性分析，发现不同水稻品种XDH蛋白活性存在明显差异，获得一些XDH酶活性较高的种质资源。