长日光周期对水稻幼穗发育的影响及其对光敏核不育水稻育性转换的作用研究

光敏核不育水稻晚粳农垦58S具有长日照下不育、短日照下可育的特点，是目前二系法杂交水稻应用的基础。对于其长日光周期引起雄性败育的特性已得到很多实验的支持，但这种光周期反应特性是光敏不育材料所特有，还是在水稻穗发育中普遍存在，目前尚不清楚。对这一问题的认识涉及到对光敏不育性本质的了解及对这一性状的有效利用，本文对此进行了系统的研究分析。 本研究以24种水稻品种包括光敏核不育系及常规水稻品种为材料，在控制光周期下进行。即利用16h长日照处理(LD)和l0h短日照处理(SD)及其不同组合，以抽穗期、叶龄、抽穗叶片总数、花粉育性、结实率、穗长、穗粒密度为指标，结合光敏不育系幼穗发育的形态解剖学特征，探讨了在整个水稻发育中包括叶片生长、幼穗分化以及穗发育等过程中，不同材料的光周期反应特征，尤其是二次枝梗期后的穗发育过程中的光周期反应特征。此外还分析了温度与光周期反应的关系及温度在光敏不育现象中的作用，并研究了代谢抑制剂对光敏不育特征的影响。 研究表明，光周期对水稻的出叶速度基本没有影响，但对水稻的抽穗叶龄有影响，长日照使抽穗叶龄增加而延迟其穗分化及抽穗。光周期还对幼穗分化后的穗发育过程有抑制延迟，作用，影响大小因品种而异，以对早稻、籼稻的影响最弱，对晚稻、粳稻的影响最强，与其穗分化中的感光性有明显的相关性。 除对抽穗期有影响外，穗发育阶段的长日光周期还影响着穗发育的其它性状，如使穗长增加，芒较长、稳粒密度降低，花粉育性降低，结实率下降。此外植株发育的其它性状也可受到影响，如剑叶发育不良表现为叶片缺少仅有叶鞘、倒二叶生长旺盛、植株较高等。同时几组不同组合的光周期处理结果均表明，长日光周期对水稻穗发育的影响主要发生在穗发育的前5-10天即颖花原基分化期、雌雄蕊原基分化期至花粉母细胞形成期。这些结果表明水稻的光周期反应不仅表现在茎端从营养生长向生殖生长的转换上（幼穗分化），而且还表现在幼穗分化完成后的穗发育过程中。长日光周期对晚稻穗发育均有抑制效应，且日长对稳发育的影响时期与光敏核不育水稻的‘育性转换敏感期’完全一致。因此在农垦58S中引起‘光敏不育’的原因很可能不是一种特殊的光周期反应，而是该材料雄性器官发生过程不能对长日光周期做出适当的反应。 对24种不同品种水稻的光周期反应表明，不同材料光周期反应特性不同。光敏不育系农垦58S与农垦58在对长日照的反应上也有较大不同，表现为前者在短日照下穗分化较快，在自然日照下抽穗较早。这表明除了育性不同外，农垦58S与农垦58在光周期反应特征上也有所不同，然而我们认为这种不同不是农垦58S表现光敏不育的主要原因。因为本研究中还发现，光敏不育系农垦58S与其可育回复突变体农垦58S(r)在抽穗期等光周期反应特征上相当一致，但在育性反应上却有较大不同，长日照下农垦58S(r)表现为雄性可育，而农垦58S表现为雄性败育。根据上述几方面的比较，我们认为光敏不育的机制很可能在于农垦58S突变体其雄性器官发育对环境不利信号的反应能力的变弱所致。 在本研究中发现，温度对水稻穗发育的影响表现在两个方面：一方面是通过影响光周期反应强弱而起作用，如高温可加强短日照下的穗分化和发育过程，高温亦可加强长日照对穗分化发育的抑制作用;另一方面是直接对器官发生过程产生影响，如在对短日照下光敏不育系和常规稻不同温度条件下处理时的结实率比较分析发现，常规稻的结实率与其抽穗扬花期的平均温度显著负相关，而光敏核不育水稻的结实率虽与抽穗扬花期的温度有一定相关性，但更与穗发育期的平均温度呈显著负相关，二者在受温度影响的作用时期上有显著差异，因此温度也可直接对雄性器官发育起作用。区分温度对光敏不育的两方面影响，同时考虑到光敏不育机制更有可能在于光敏不育系农垦58S雄性器官发育对环境信号反应能力的变弱的假设。我们就可以较好地理解农垦58S‘光敏不育’性状经杂交转育到对光周期弱感的籼稻中所出现的‘温敏不育性’。 核酸代谢抑制剂5-FU，2-TU对SD下的幼穗分化有较强抑制作用，使幼穗分化被迟滞，而2-BrDU和蛋白质合成抑制剂CHX、CL对其影响较小。抑制剂处理也不能诱导LD下的穗分化。 短日照下，5-FU可对穗发育有强烈抑制作用，可使常规品种农垦58及光敏不育系农垦58S穗畸形，颖花减少并发育不良，穗长缩短，枝梗减少，花粉败育甚至无花粉，结实率显著降低，其有效作用时期为穗发育的二次枝梗分化期至雌雄蕊原基分化期，与长日照诱导农垦58S败育的作用时期也完全吻合，5-FU对SD下穗发育的影响还可被核酸抑制剂的恢复剂乳清酸所部分恢复。其它代谢抑制剂如2-TU、CHX、CL等也可使农垦58S育性明显降饭，而所有这些抑制剂对常规可育的农垦58及农垦58S(r)的育性影响较小，表明它们与光敏不育系对抑制信号的反应能力有显著不同。 长日照下5-FU对LD下的农垦58S的幼穗发育也有很强的抑制作用，使稳长缩短，颖数减少，但它还可使部分LD下处理植株抽穗期较LD对照明显提前，并可使农垦58S育性部分恢复而有结实，说明5-FU还可对LD的抑制作用有抑制，通过对LD抑制作用的抑制使LD下的育性转换有部分恢复。其它代谢抑制剂在穗发育前期处理LD下农垦58S叶片均可看到植株在抽穗期较LD下提前5—8天的同时，其花粉育性有不同程度的提高，在高温长日下甚至有一定程度的结实率，表明各种抑制剂均可对穗发育中的光周期作用产生影响。 总之，本研究结果表明，短日植物水稻的光周期反应不仅存在于幼穗分化上，还存在于幼穗发育和花器官发生等发育过程中。幼穗发育的光周期效应表现为抽穗期、穗长、穗粒密度、结实率等多方面的变化，作用时期以穗发育早期的花器官发生阶段影响最大。作用强弱因品种不同而异，以粳稻和晚稻中作用较强。光敏不育突变的更主要变化可能在于农垦58S的雄性器官分化发育时对环境不利信号的反应能力变弱，导致其正常发育受阻，育性不能正常表达。温度在水稻穗发育上既可通过影响光周期反应而起作用，还可直接对穗器官发育产生影响而对育性表达起作用。此外我们还发现农垦58S与农垦58不仅在雄性育性上有显著不同，而且其光周期反应特性也有较大的差异。抑制剂处理结果也支持光敏不育系农垦58S的雄性器官发生过程较农垦58更易受抑制剂影响而育性降低，而抑制剂对长日光周期抑制作用的部分解除，可以使其育性有一定程度的恢复，也表明光周期对雄性育性的影响最为显著。这些结果可以帮助我们更加全面地认识光敏不育水稻的基本特性，从而为进一步开展光敏不育的转育及应用研究提供可靠的科学依据。

羊草cDNA文库的构建及果聚糖水解酶的分离与鉴定

羊草(Leymus chinensis(Trin.) Tzvel.)又称碱草，隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部草甸草原及干旱草原上的重要建群种之一。作为一种兼具重要经济价值和生态价值的优良牧草，羊草受到了广泛的关注。但长期以来，对羊草的研究主要集中在生态学、生殖生物学方面，在分子生物学方面知之甚少。为了保存羊草基因资源，并在基因水平上研究羊草生物代谢的调控机理，本研究采用羊草根、叶片混合后做为材料，构建cDNA文库，并对文库中部分基因序列进行了分析。同时从中克隆获得羊草果聚糖水解酶全长基因并对这些基因进行了深入的生物信息学分析、转化毕赤酵母研究初步确定其功能，为深入了解羊草代谢的分子机制提供理论依据。主要结果如下： 1. 成功地构建了羊草根、叶混合cDNA文库，原始文库滴度达到4×106 pfu/ml，扩增文库滴度接近1011 pfu/ml ，重组率达97% 。PCR检测插入片段，均在0.5 kb到3 kb之间，l kb以上占68%。从文库中检测到了TC、γ-TMT、FEH基因，文库覆盖度达到要求且为PCR筛选文库提供了可能。 2. 随机挑取经检测过的597个单克隆进行测序，去除插入片段小于和污染序列后，获得了584条高质量的序列。所有584条EST序列与NCBI的核酸数据库比对时，有30.99%的EST序列与己知序列有很大的同源性：而与蛋白质数据库进行比对时，有61.27%的EST序列与已知序列有很大的同源性。核酸比对中，有32.87%的序列为未知功能新基因，而蛋白质比对结果只有11.27%的序列为未知功能新基因。其中获得5条全长基因。 3. 文库中测序得到果聚糖水解酶（FEH）片段，依据其核酸、蛋白序列，以羊草根茎为材料，结合果聚糖水解酶基因的保守序列设计引物，通过 RACE 方法，获得羊草果聚糖水解酶基因 Lc 1-FEH 的全长序列（2040bp），包含一个 1803bp 的开放阅读框，采用生物信息学方法对该基因编码蛋白质进行功能分析，该基因编码的氨基酸序列具有明显的果聚糖水解酶类蛋白特征(NDPNG，FRDP 和[WEC (V/P)D] 结构域)，其分子量为 66.8kD，等电点 pI 为 5.49，是一种酸性蛋白质。同源性分析结果表明Lc1-FEH与单子叶植物小麦、大麦和黑麦草细胞壁类酵素酶同源性最高，分别为89％、87％ 和72％。运用实时定量方法对Lc 1-FEH表达量在羊草发育各时期及不同逆境处理下进行测定，结果发现，幼苗中以叶中表达量最低，根茎中表达较高，成苗中花梗中的表达量最高；Lc1-FEH在转录水平明显受碱、ABA、SA及低温胁迫诱导，随着胁迫时间延长，表达量迅速增加，到达到最大值，之后表达水平逐渐降低，在盐、干旱的诱导下的表达量迅速降低。 4. 羊草果聚糖水解酶Lc1-FEH基因在毕赤酵母中的高效表达 将pMD-Lc1-FEH 质粒经双酶切后构建果聚糖酵母表达载体 pPICZα- Lc1-FEH 。将重组表达载体线性化后电击转化毕赤酵母Pichia pastoris X33，经抗生素 Zeocin 和酵母 PCR 筛选获得高效表达酵母工程菌。毕赤酵母表达的果聚糖水解酶蛋白经SDS-PAGE 分析表明Lc1-FEH表观分子量为 67 kD 左右。其最适反应 pH 值为 5.5，在 pH 值为 4.5~6.5 的范围内能保持较高的酶活力；表达Lc1-FEH的最适反应温度为 30 ℃；在温度在 20～30℃度范围内有较高的酶活。 Lc 1-FEH能够水解含有β-2，1糖苷键类型果聚糖：蔗果四糖、菊粉、6-蔗果三糖；而对β-2，6糖苷键类型果聚糖：6-蔗果三糖、新蔗果三糖、细菌类果聚糖及蔗糖基本不具水解活性。