芝麻菜抗旱基因挖掘与抗旱机制解析

Eruca vesicaria subsp. sativa is one of the Cruciferae species most tolerant to drought stress. We have found some extremely tolerant/sensitive Eruca lines by screening among large number of Eruca lines. By Illumina/Solexa transcriptome sequencing we have found some significantly up/down-regulated pathways and 51 highly significantly up-regulated genes in the drought tolerant Eruca line under drought stress. In this project we plan to clone these highly significantly up-regulated genes and explore their functions by over-expressing them in Arabidopsis and silencing them in Eruca. This will be valuable for revealing the drought tolerance mechanism in Eruca and also for genetic improvement of drought tolerance in Brassica napus.

芝麻菜是十字花科抗旱性最强的物种之一 (Sun et al., 1999; Prakash and Bhat, 2007)。我们通过筛选大量芝麻菜材料，获得一批极端抗旱/极端敏感芝麻菜资源（Huang et al, 2015）。通过Illumina/Solexa转录组测序，发现一批在抗旱芝麻菜干旱胁迫下显著上调/下调的代谢途径，获得51个在抗旱芝麻菜干旱胁迫下极显著上调表达基因。在本课题中我们拟克隆这些极显著上调表达基因并构建过量表达/hpRNA干扰载体，在拟南芥中过量表达，在芝麻菜中干扰表达，确定这些基因在抗旱中的功能并初步揭示芝麻菜的抗旱机制，为将来油菜抗旱基因工程奠定基础。

芝麻菜被认为是十字花科最耐旱的物种之一。我们用PEG模拟干旱胁迫对200多分芝麻菜资源的抗旱性进行了评价，筛选获得一批极端抗旱的芝麻菜种质资源。在此基础上我们通过转录组测序，将抗旱/敏感芝麻菜进行干旱胁迫处理，对抗旱芝麻菜-非胁迫vs抗旱芝麻菜-胁迫KEGG pathway进行分析，发现涉及α-亚麻酸代谢、络氨酸代谢、苯丙氨酸，络氨酸和色氨酸生物合成、半乳糖代谢、异喹啉类生物碱生物合成、莨菪烷类、哌啶、吡啶类生物碱生物合成、矿质吸收等代谢途径的差异基因，在干旱胁迫下抗旱芝麻菜中，全部上调表达；而涉及核糖体及核糖体合成、嘧啶代谢、RNA 降解、乙醛酸和二甲酸代谢、氨酰-tRNA 生物合成、柠檬酸循环、甲烷代谢、光合器官碳固定等代谢途径的差异基因，全部下调表达。上述结果暗示芝麻菜可能是一方面通过激活抗旱代谢途径，一方面下调蛋白质合成及光合作用等代谢途径，以适应干旱胁迫环境。.根据前述转录组分析结果，克隆了一些只在抗旱芝麻菜-胁迫条件下极显著上调表达的aquaporin,trehalose-phosphate phosphatase, ERF-056, WRKY-55等基因全长，发现trehalose-phosphate phosphatase （TPP）和WRKY-55等基因，存在可变剪切。上述基因及不同剪切形式已转入拟南芥以验证其抗旱功能。.在前述筛选出极端抗旱芝麻菜种质资源的基础上，我们进行了Ogu CMS甘蓝型油菜X芝麻菜属间杂交，通过胚胎培救获得了属间杂交获得了Ogu CMS 甘蓝型油菜与芝麻菜属间杂种F1。通过杂种F1与甘蓝型油菜连续回交和自交，获得一批抗旱性显著增强的杂种后代，为培育油菜抗旱品种奠定了良好基础。.Ogu CMS具有不育彻底的优点，在解决了低温缺绿和蜜腺退化之后已经成为芸薹属最好的不育系统。以前认为Ogu CMS的恢复基因只存在于萝卜中，因为Ogu CMS细胞质来自萝卜。我们在Ogu CMS甘蓝型油菜X芝麻菜杂种后代中，获得了甘蓝型油菜Ogu CMS 恢复材料，用芝麻菜继续给杂种后代不育株授粉也获得了恢复材料，由此我们认为芝麻菜中存在Ogu CMS恢复基因。该发现可望打破法国INRA和美国先锋公司在Ogu CMS恢复基因的专利封锁。