水稻OsLPL2/PIR基因抗旱耐鹽機(jī)制研究

周文期 強(qiáng)曉霞 王 森 江靜雯 衛(wèi)萬榮,*

水稻基因抗旱耐鹽機(jī)制研究

周文期1,2強(qiáng)曉霞3王 森4江靜雯1衛(wèi)萬榮1,*

1西南野生動植物資源保護(hù)重點實驗室/ 西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 四川南充 637000;2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 甘肅蘭州 730070;3甘肅省蘭州市第四中學(xué), 甘肅蘭州 730050;4陜西省畜牧產(chǎn)業(yè)試驗示范中心, 陜西咸陽 713702

干旱威脅著全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 限制了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前景。植物葉表皮在生長發(fā)育、抵御逆境脅迫、與外界環(huán)境進(jìn)行水分和氣體交換中, 發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。本研究中, 利用水稻()()和()突變體為研究材料, 與野生型中花11 (Zhonghua 11, ZH11)經(jīng)干旱脅迫和不同濃度鹽處理, 發(fā)現(xiàn)和對逆境脅迫響應(yīng)更敏感, 復(fù)水后統(tǒng)計成活率極顯著降低, 低于對照1/2。相比ZH11,和株高變矮, 根長變短, 相同葉序氣孔密度、氣孔開度均極顯著增加, 且表皮扁平細(xì)胞邊緣鋸齒狀凸出變平滑, 嵌套不緊密, 導(dǎo)致和比ZH11水分散失更多; 離體葉片失水實驗也證明了和葉片在等時間內(nèi)失水更快, 失水率更高; 且過表達(dá)轉(zhuǎn)入中,/轉(zhuǎn)基因陽性植株恢復(fù)了平滑表皮及對干旱和鹽脅迫的敏感表型。研究結(jié)果表明,基因不僅控制水稻表皮細(xì)胞形態(tài)建成, 而且通過調(diào)控氣孔密度、氣孔開度、根生長發(fā)育等在響應(yīng)植物逆境脅迫過程發(fā)揮關(guān)鍵作用。本研究為揭示水稻參與干旱脅迫的應(yīng)答分子調(diào)控機(jī)制提供了一定的理論基礎(chǔ)。

水稻; 抗旱; 耐鹽性; SCAR/WAVE復(fù)合體; 植物表皮細(xì)胞

水稻(L.)作為全球最重要的糧食作物之一, 為全世界一半以上人口提供了口糧, 但隨著人口增加、自然氣候條件變化、可利用淡水資源減少、土地鹽堿化、荒漠化日益加劇, 現(xiàn)有耕地面積逐年縮減, 面對日益增多的人口數(shù)量和日漸增長的口糧需求, 供需矛盾日益突出[1]。目前, 導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量下降的兩大主要非生物因素是干旱和土壤鹽堿化, 資料顯示, 全世界依靠傳統(tǒng)的淹水灌溉水稻面積約占9300萬公頃, 約占55%的水稻生產(chǎn)面積, 其產(chǎn)量占世界水稻總產(chǎn)量的75%, 這種依賴高消耗淡水資源、氮肥等的生產(chǎn)模式嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[2]。近年來, 因干旱少雨及土壤鹽堿化造成的糧食減產(chǎn)和品質(zhì)降低更是逐年加劇, 直接威脅到國家糧食安全, 保障水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對我國的糧食安全具有重要意義。因此, 提高作物干旱耐受性、耐鹽堿性是生物技術(shù)開發(fā)和農(nóng)作物育種的一個重要目標(biāo), 亟待大量挖掘作物抗旱耐鹽堿基因、解析其遺傳機(jī)制及逆境響應(yīng)機(jī)制, 并篩選耐逆育種材料, 選育抗旱耐鹽堿農(nóng)作物新品種, 進(jìn)行試驗示范和大面積推廣應(yīng)用, 以保證糧食產(chǎn)量[3-4]。

植物表皮是植物體最外面的一層細(xì)胞, 是植物內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境的天然保護(hù)屏障, 地上器官表皮具有保護(hù)功能, 地下器官表皮具有吸收功能[5]; 表皮細(xì)胞排列緊密, 沒有細(xì)胞間隙(除氣孔外), 表面還具有蠟質(zhì)層和角質(zhì)層, 它不僅可以感知外界刺激、傳遞信號、增加表皮層厚度, 這些能使植物有效地抵御外界無機(jī)脅迫(高溫、冷害和干旱等)和有機(jī)脅迫(如病原體感染、蟲害啃食), 也能有效防止水分和熱量散失[6-7]。葉表皮除一般葉片表皮扁平細(xì)胞外, 還有氣孔和表皮毛等附屬物, 泡狀細(xì)胞以及由硅細(xì)胞和栓細(xì)胞緊密鑲嵌而成的短細(xì)胞都屬于葉表皮結(jié)構(gòu)[5,8-9]。在擬南芥()中, 表皮細(xì)胞邊緣凸出(lobe)和凹陷(neck), 咬合嵌套排列。如果表皮細(xì)胞排列嵌合不緊密, 會加快葉片表面水分散失速度, 進(jìn)而改變植物的抗旱特性[10-11], 而且植物葉片表皮上蠟質(zhì)層的變化也能影響植物對干旱承受能力, 水稻()突變體葉片表面蠟質(zhì)沉積減少, 導(dǎo)致其水分蒸發(fā)加快, 對干旱脅迫響應(yīng)更敏感[12]。在擬南芥中過量表達(dá)R2R3型轉(zhuǎn)錄因子MYB96的植株表皮蠟質(zhì)顯著增加, 水分散失減少, 增強(qiáng)了植株耐旱性[13]。擬南芥葉片表皮毛是一種特化的單細(xì)胞表皮毛, 一般有3個分支, 對于阻礙食草動物侵害、昆蟲攻擊、紫外線輻射傷害及水分散失起到了十分重要的作用[14]。水稻和玉米等禾谷類作物葉片表面, 也有很多刺毛和剛毛等毛狀物, 對生物及非生物脅迫具有防御和保護(hù)作用[15]。

氣孔在維持植物正常的生命活動, 氣體交換及蒸騰作用中發(fā)揮重要作用。植物氣孔是莖和葉表皮上的一些小孔, 在植物面對非生物脅迫時發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然氣孔僅占總?cè)~面積總數(shù)的1%～2%, 但是約90%的水分流失都是通過氣孔進(jìn)行的[6,16-17]。前人研究將水稻氣孔的發(fā)育分成6個階段, 認(rèn)為氣孔發(fā)育圖式與玉米氣孔發(fā)育圖式基本相同[18]。從原表皮細(xì)胞一共經(jīng)歷了3次細(xì)胞分裂, 包括2次非極性細(xì)胞分裂和1次極性細(xì)胞分裂[8,19], 細(xì)胞分裂和分化過程由一些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子和基因協(xié)同調(diào)控, 最終發(fā)育形成成熟的氣孔復(fù)合體[20]。水稻葉表皮發(fā)育詳細(xì)過程參考Zhou等[9]和Wu等[21]氣孔系細(xì)胞發(fā)育圖式。細(xì)胞分裂中每一次細(xì)胞極性分裂異常, 都會產(chǎn)生畸形氣孔或者變異表皮結(jié)構(gòu), 影響植物生長發(fā)育、光合及呼吸作用[20]。植物通過氣孔的張開和關(guān)閉控制細(xì)胞內(nèi)與外界環(huán)境二氧化碳和氧氣的氣體交換, 蒸騰作用中水分散失等。研究表明環(huán)境信號(如光照、溫度、干旱、大氣中CO2與O2的濃度以及內(nèi)源激素)能調(diào)控氣孔的孔徑和發(fā)育[22]。因此氣孔是影響植物干旱敏感性的一個重要指標(biāo), 減少氣孔密度, 減小氣孔開度能夠提高水稻的耐旱性。

高等植物中, 環(huán)磷酸腺苷受體結(jié)合抑制因子SCAR/WAVE (suppressor of cAMP receptor/WASP family verprolin-homologous protein)復(fù)合體功能缺陷引起的微絲形態(tài)異常, 往往會導(dǎo)致植物葉片表皮細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)異常, 在擬南芥中最典型的特征是表皮毛發(fā)育異常, 在水稻中主要表現(xiàn)為硅質(zhì)乳突和扁平細(xì)胞形態(tài)異常[9-11,23-27]。SCAR/WAVE復(fù)合體由5個亞基組成, 分別是ABI1 (abl-interactor 2)、NAP1 (nck-associated protein)、PIR121 (p53-inducible mRNA 121)、HSPC300 (haematopoietic stem progenitor cell 300)和SCAR/WAVE復(fù)合體[28]。微絲聚合過程的復(fù)合體肌動蛋白相關(guān)蛋白ARP2/3 (actin- related protein-2/3)促進(jìn)微絲成核的活性受SCAR/ WAVE復(fù)合體影響, 能增強(qiáng)ARP2/3復(fù)合體的微絲成核效率[26,29]。ARP2/3復(fù)合體由7個亞基組成, ARP2 (actin relation protein 2)、ARP3、ARPC1、ARPC2、ARPC3、ARPC4和ARPC5[11,30]。目前, 植物SCAR/WAVE復(fù)合體和ARP2/3復(fù)合體不同亞基的功能缺陷突變體表現(xiàn)出類似的表型, 都有表皮扁平細(xì)胞異常和表皮毛缺陷表型, 說明在植物進(jìn)化過程中功能保守, SCAR/WAVE-ARP2/3信號通路主要參與細(xì)胞骨架微絲成核過程[9,15,26,31-34], 但是對該復(fù)合體不同亞基功能缺失突變體響應(yīng)干旱和鹽脅迫機(jī)制報道比較少, 研究表明SCAR/WAVE復(fù)合體、ARP2/3復(fù)合體功能缺陷也可影響植物氣孔動態(tài)和水分利用[35], 因此, 本研究從功能缺陷突變體和對干旱和鹽脅迫響應(yīng)比對照更敏感的表型入手, 探究基因抗旱耐鹽機(jī)制。雖然水稻抗旱相關(guān)基因被克隆了不少, 但干旱是一個多基因控制的數(shù)量性狀, 單個基因在抗旱、耐鹽堿等性狀上效應(yīng)較低, 農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用價值不高, 逆境脅迫涉及到眾多基因協(xié)調(diào)調(diào)控[4,36]。因此, 需要進(jìn)一步挖掘抗逆相關(guān)基因, 開展作物抗逆的分子遺傳機(jī)制研究, 以期為深入剖析水稻的抗逆機(jī)制和品種改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水稻(L.)背景材料為‘中花11’ (Zhonghua 11, ZH11), 作為對照(CK)。()是從T-DNA插入突變庫中篩選到的一個表皮細(xì)胞形態(tài)變異突變體[9],是的T-DNA插入等位突變體, 從Rice Mutant Database (RMD, http://rmd.ncpgr.cn/)突變體庫中訂購(LOC_Os03g05020)基因突變體, 來源于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)。大腸桿菌() DH5α, 農(nóng)桿菌EHA105、過表達(dá)載體p1301由實驗室保存。

1.2 試驗方法

1.2.1 干旱脅迫處理 依據(jù)前期研究基礎(chǔ)[37],和苗期生長和發(fā)芽較CK延遲, 因此,先浸種和種子4～5 d發(fā)芽后, 再浸泡CK種子, 幼苗水培液中培養(yǎng)成苗后, 將生長勻稱的幼苗移栽到同一苗盤中, 1/2為對照(CK), 1/2為或, 中間用塑料板相隔, 相同生長環(huán)境減小了因土壤環(huán)境差異造成的實驗誤差, 每一桶種50～60株苗, 生長8周時間,與CK大小差異不顯著, 期間各平行實驗都等量澆水, 間苗, 使兩邊植株總數(shù)相同。停止?jié)菜? 開始干旱脅迫, 約10 d左右,和與CK表現(xiàn)出較為明顯的干旱響應(yīng)差異, 繼續(xù)干旱2～4 d, 表現(xiàn)出極顯著差異(CK或突變體, 有一半以上材料葉片脫水, 嚴(yán)重枯萎甚至死亡), 再等量澆水恢復(fù)4～5 d; 統(tǒng)計能恢復(fù)返綠的植株數(shù)。生殖期干旱, 將生長4個月大小抽穗期的植株, 停止?jié)菜? 干旱15～20 d, CK或突變體一半以上植株出現(xiàn)明顯的干旱失水枯萎表型, 再澆水恢復(fù)4～5 d, 統(tǒng)計能返綠成活的植株數(shù)目, 按以下公式計算成活率(survival rate)?？购祵嶒灳O(shè)置3次生物學(xué)重復(fù), 每次定苗約50株, 復(fù)水后成活率統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本量=150。成活率(%) = (恢復(fù)成活植株數(shù)/處理前成活植株數(shù))×100。

1.2.2 不同濃度鹽脅迫處理 同樣的方法, 先浸種和, 待發(fā)芽后再浸種ZH11, 將生長均勻的幼苗, 移栽至苗盤中, 同一苗盤中, 一半是對照(CK), 一半是突變體, 生長4周, 用等量不同濃度的鹽溶液處理, 蒸餾水(0 mmol L–1NaCl)作CK, 實驗組用50 mmol L–1和100 mmol L–1NaCl處理, 3～5 d時間, 高濃度100 mmol L–1NaCl處理會出現(xiàn)明顯的鹽脅迫響應(yīng), CK或突變體有一半植株葉片干枯萎蔫, 停止處理, 用等量蒸餾水沖洗土壤, 稀釋鹽分, 恢復(fù)生長4～5 d, 統(tǒng)計鹽處理和與ZH11存活植株, 按以上成活率公式計算成活率?？果}脅迫實驗設(shè)計4次生物學(xué)重復(fù), 每次定苗25株, 復(fù)水后成活率統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本量=100。本研究選用50 mmol L–1和100 mmol L–1NaCl處理, 相當(dāng)于模擬了0.292%和0.584%土壤鹽濃度, 當(dāng)土壤含鹽量達(dá)到干土重的0.3%～0.5%, 屬于弱鹽漬土或中等鹽漬土。

1.2.3 離體葉片的失水實驗 在培養(yǎng)間進(jìn)行, 溫度保持在25℃[38], ZH11、和離體葉片失水率計算, 選取處于實驗所需苗期和孕穗期的植株。苗期取ZH11、和各12株第4和5葉(從葉柄處剪下), 孕穗期選取劍葉和次劍葉(從葉柄處剪下), 平均分成3組。用分析天平稱取ZH11、和離體葉片的質(zhì)量, 即為干重(desiccated weight, DW), 0 h的質(zhì)量為鮮重(fresh weight, FW), 每隔0.5 h稱量一次, 記錄對應(yīng)時間下的葉片干重; 持續(xù)失水3 h, 結(jié)束實驗; 根據(jù)以下公式, 計算相應(yīng)時間下的葉片失水率。3次生物學(xué)重復(fù)。葉片失水率(water loss rate, %) = (FW–DW)/ FW×100。

1.2.4 氣孔密度的統(tǒng)計方法 在分析水稻葉片氣孔密度時, 將每種實驗材料選取約20株, 用牙齒合成樹脂印跡技術(shù)獲得實驗葉片下表皮的印跡, 在16×40倍顯微鏡下, 用帶25×25格(0.0324 mm2)計數(shù)板目鏡觀察和統(tǒng)計, 隨機(jī)選取并觀察和記錄不同視野內(nèi)氣孔數(shù)目, 氣孔密度描述了單位面積內(nèi)氣孔的數(shù)目, 用氣孔的分布頻率來表示[39], 計算公式為: 氣孔密度(氣孔數(shù)No. mm–2) = 單位面積內(nèi)氣孔個數(shù)/0.0324。用平均值計算, 3次生物學(xué)重復(fù)。

1.2.5 氣孔開度的統(tǒng)計方法 上午9:00—10:00時, 氣孔處于打開狀態(tài), 取樣, 液氮速凍處理, 用日立S-3400電子顯微鏡掃描ZH11、和成熟葉片表皮, 觀察氣孔及表皮扁平細(xì)胞結(jié)構(gòu)。以10 kV的加速電壓掃描葉片, 觀察并照相(放大800倍)。利用ImageJ軟件對掃描照片中的氣孔長度(stomatal lengthtal, SL)和保衛(wèi)細(xì)胞開口寬度(stomatal width, SW) (圖3-D, E), 測量氣孔張開的最寬處寬度, 并根據(jù)公式計算氣孔開度, 它表示氣孔口張開的程度。干旱處理后同樣的方法拍照和測量。氣孔開度=氣孔口張開寬度/長度。

1.2.6 實時定量PCR (qRT-PCR)檢測 使用PrimeScript RT-PCR Kit (TaKaRa公司)試劑, 嚴(yán)格按照說明書操作, 抽提水稻幼嫩葉片組織RNA, 定量反轉(zhuǎn)錄得到cDNA。利用qRT-PCR技術(shù)檢測目標(biāo)基因表達(dá)量。()是內(nèi)參基因。

1.2.7載體構(gòu)建與遺傳轉(zhuǎn)化 提取中花11幼嫩葉片RNA, 反轉(zhuǎn)錄cDNA, 為PCR擴(kuò)增模板, 以p1301-LPL2F和p1301-LPL2R (表1)為引物擴(kuò)增3862 bp大小目的條帶, 與T載體連接測序, 全部序列正確后, 再酶切, 連至p1301過表達(dá)載體, 農(nóng)桿菌浸染進(jìn)行愈傷組織誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化, 分化轉(zhuǎn)基因植株。遺傳轉(zhuǎn)化方法參考周文期[40]。

表1 本研究使用的引物序列

引物序列中下畫線表示限制性內(nèi)切酶位點。

Restriction endonuclease sites are underlined in primer sequences.

2 結(jié)果與分析

2.1 OsLPL2在不同物種中的基因注釋及同源蛋白保守性分析

在模式植物擬南芥()中, 已經(jīng)被證明了一條通過控制微絲斑形成和微管束在細(xì)胞內(nèi)空間上的分布, 進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)及表皮扁平細(xì)胞形態(tài)建成所必需的信號通路, 即上游SPK1 (SPIKE1)傳遞信號給ROPs (Rho-like small GTPase in plant), 激活SCAR/WAVE復(fù)合體, 該復(fù)合體再與下游ARP2/3復(fù)合體相互作用, 激活下游信號通路, 對微絲進(jìn)行核化, 促使新的微絲生成[11,41]。在水稻中, 通過圖位克隆手段, 克隆到了調(diào)控水稻微絲合成SCAR/WAVE復(fù)合體關(guān)鍵基因(基因號: LOC_Os03g05020)[9], 在Rice Genome Annotation Project (http://rice.plantbiology.msu.edu/)中查找到不同物種中的同源基因, 功能注釋都同屬于PIR (PIROGI)蛋白, 功能保守。結(jié)果如表2所示。

進(jìn)一步在NCBI基因組數(shù)據(jù)庫(https://www.ncbi. nlm.nih.gov/)中BLAST氨基酸序列, 找到其在擬南芥、水稻、玉米和人類基因組中的氨基酸序列, 利用DNAMAN軟件進(jìn)行同源性比對分析(圖1)。結(jié)果表明, OsLPL2與玉米ZmBRK2 (GRMZM2 G113174)同源性最高, 氨基酸相似性高達(dá)93%, 與擬南芥AtPIR(PIROGI, At5G18410)氨基酸同源性是74%, 與人類基因組中PIR121/SRA1蛋白序列相似度最低。不同物種中同源基因的氨基酸序列高度保守, 說明OsLPL2在進(jìn)化上相對保守, 與同為禾本科的玉米氨基酸序列高度相似, 可能具有更保守的功能。前人研究證明了擬南芥AtPIR、水稻OsLPL2/PIR和玉米BRICK2/ZmPIR蛋白在微絲成核重組中發(fā)揮關(guān)鍵作用, 調(diào)控植物表皮細(xì)胞的形態(tài)建成過程[9,31-33]。但是, 該基因在作物抗旱、耐鹽相關(guān)研究尚未報道, 因此, 本研究對和進(jìn)行干旱和鹽脅迫處理, 鑒定表型并解析其調(diào)控機(jī)制。

表2 OsLPL2在不同物種中的基因編號及功能注釋

(圖1)

AtPIR是擬南芥中PIR蛋白, OsLPL2是水稻中PIR的同源蛋白, HsPIR121是人類中PIR的同源蛋白, ZmBRK2是玉米中PIR的同源蛋白, 同源性序列分析表明, 氨基酸相似度高達(dá)72.9%。OsLPL2尤其與玉米中BRK2同源蛋白相似性高達(dá)93%。

AtPIR is a homologous protein of PIR in, OsLPL2 is a homologous protein of PIR in rice, HsPIR121 is a homologous protein of PIR in human, and ZmBRK2 is a homologous protein of PIR in maize. Homologous sequence analysis showed that the amino acid similarity is 72.9%. OsLPL2 has particularly 93% similarity to maize BRK2 homologous proteins.

2.2 lpl2-1和lpl2-2表皮變平滑, 氣孔開度變大

和是等位突變體,中基因在第16位外顯子處缺失26 bp的氨基酸導(dǎo)致編碼提前終止, 而T-DNA插入到第10個外顯子中, 也導(dǎo)致氨基酸編碼提前終止, 是功能缺失突變體, 表皮細(xì)胞平滑表型基本一致[9]。和株型高度較同期生長對照中花11 (ZH11)植株矮小, 根長變短, 株高和根長均有顯著差異(圖2), 葉和莖表皮扁平細(xì)胞邊緣鋸齒狀凸出(lobes)變平緩。通過電子掃描電鏡觀察, ZH11幼苗期及成熟期葉片氣孔呈單線性規(guī)則排列, 2個氣孔相間隔一個表皮長細(xì)胞, 且表皮氣孔扁平細(xì)胞邊緣嵌合呈鋸齒狀凸出, 凸凹不平(圖3-A, 黑色箭頭所示)。而氣孔也是呈現(xiàn)單線性排列, 表皮扁平細(xì)胞邊緣lobes更平滑, 表皮細(xì)胞變成矩形狀(圖3-B)。ZH11兩個成熟氣孔間隔一個表皮長細(xì)胞排列(圖3-A, D), 而中明顯有未發(fā)育形成氣孔的前體細(xì)胞(本該發(fā)育成氣孔, 由于基因突變導(dǎo)致前體細(xì)胞異常分裂和分化) (圖3-B, 黑色小三角標(biāo)出), 且氣孔開口明顯增大(圖3-C, E, F), 其表皮細(xì)胞變平滑表型從幼苗葉片到成熟期葉片表型均一致, 并沒有隨著葉序的增加而改變。

(圖2)

AD: 分別生長1周、2周、3周和4周的植株; E, F: 分別是中花11與生長1周的根細(xì)胞掃描圖; G, H: 中花11與生長4周的根細(xì)胞掃描圖; I: 測量1～4周的植株高度,= 30; J: 測量1～4周的根長,= 30, 1、2、3和4分別表示第1、2、3和4周。AD: 標(biāo)尺為1 cm; EH: 標(biāo)尺為100 μm。*表示與對照有顯著性差異,< 0.05; **表示與對照有極顯著性差異(< 0.01)。

AD:plants grown at 1, 2, 3, and 4 weeks, respectively; E, F: scanning images of root cells in ZH11 andplants for growing one week, respectively; G, H: scanning images of root cells in ZH11 andgrowing for 4 weeks; I: plant height was measured from 1 to 4 weeks,= 30; J: root length was measured from 1 to 4 weeks,= 30, 1, 2, 3, and 4 represent 1, 2, 3, and 4 weeks, respectively. AD: Bar: 1 cm; EH: Bar: 100 μm. *:< 0.05; **:< 0.01.

圖3 lpl2-2突變體葉片表皮形態(tài)

A: ZH11幼葉表皮細(xì)胞, 細(xì)胞邊緣鋸齒狀凸出(黑色斜箭頭所示); B:幼葉表皮細(xì)胞變平滑(黑色斜箭頭所示), 發(fā)育畸形的氣孔, 類似于保衛(wèi)細(xì)胞母細(xì)胞(箭頭所示); C: 幼葉葉片氣孔開度統(tǒng)計,= 100; D: ZH11成熟葉氣孔結(jié)構(gòu)放大圖, 成熟氣孔由2個副衛(wèi)細(xì)胞(SC)和2個保衛(wèi)細(xì)胞(GC)構(gòu)成, SP表示氣孔開度; E:成熟葉氣孔結(jié)構(gòu)放大圖, SL表示氣孔長度, SW表示氣孔寬度; F: 成熟葉葉片氣孔開度統(tǒng)計,= 100。G, H: ZH11與第4、5葉和劍葉、次劍葉氣孔密度,> 3000; AE: 標(biāo)尺為20 μm。**表示極顯著性差異(< 0.01)。

A: mature stomata and pavement cells (PCs) with waved lobes were obviously observed in ZH11 (oblique black arrows); B:showed epidermal PCs with gentler lobes (oblique black arrows), small black triangles indicate GMC-like cells; C: stomatal opening of young leaves,= 100; D: amplified mature stomata is composed of two GCs and SCs in ZH11 (oblique black arrows); E: amplified mature stomatal structure ofmature leaves; F: stomatal opening of mature leaves,= 100; G, H: stomatal density of the 4th, 5th, flag leaf and secondary flag leaf in ZH11 and,> 3000; AE: bar: 20 μm. **:< 0.01 (Student’s-test). PC: pavement cells; SC: subsidiary cells; GC: guard cell; SP: stomatal opening; SL: stomatal length; SW: stomatal width.

2.3 lpl2-1和lpl2-2幼苗期植株高度變矮, 根長變短

幼苗期,和與中花11相比, 生長發(fā)育遲緩、株高變矮、根長變短, 差異極顯著(圖2)。為了解釋根變短的原因, 將生長1周(圖2-E, F)和4周(圖2-G, H)的ZH11及根細(xì)胞進(jìn)行掃描電鏡觀察,根細(xì)胞長度比ZH11變短(圖2-E～H),測量統(tǒng)計結(jié)果表明, 根長與根細(xì)胞長度相比ZH11均顯著變短, 且變化趨勢一致, 說明根變短主要是因為根細(xì)胞長度變短, 測定根長與根細(xì)胞長度, 與數(shù)據(jù)一致, 無差異顯著性(未列出)。

2.4 lpl2-1和lpl2-2對干旱脅迫更敏感

根據(jù)和株高變矮和根長變短、表皮細(xì)胞形態(tài)變異的表型, 推測與植物抗逆性相關(guān)。為了驗證這一假設(shè), 設(shè)計了溫室內(nèi)干旱脅迫和不同濃度的鹽處理實驗。選取在相同環(huán)境下, 生長8周大小的ZH11、和植株, 開始干旱脅迫(圖4-A, I), 每天觀察, 待CK或者突變體表現(xiàn)出葉片嚴(yán)重脫水、萎蔫、明顯干枯表型, 以敏感材料一半萎蔫、脫水干枯為臨界點, 開始澆水恢復(fù), 10～14 d出現(xiàn)極顯著差異,植株大多萎蔫, 部分死亡(圖4-B, J), 說明對干旱脅迫響應(yīng)更敏感, 澆水恢復(fù), CK逐漸恢復(fù)正常, 而和一半以上植株死亡(圖4-C, K), 澆水恢復(fù)5 d后, 統(tǒng)計成活植株, 150株ZH11中有126株干枯表型恢復(fù), 而150株中只有58株恢復(fù)返綠, 150株只有53株恢復(fù)返綠, 計算成活率, CK達(dá)到83%的成活率, 而和成活率不到CK的一半, 均低于40% (圖4-D, L)。同樣, 對抽穗期的植株干旱處理(圖4-E), 17 d后,和CK表現(xiàn)出對干旱脅迫不同的響應(yīng),對干旱更敏感(圖4-F), 澆水恢復(fù), 統(tǒng)計成活率,和的成活率仍不及CK的一半, 低于30% (圖4-G, H)。研究結(jié)果表明, 苗期和抽穗期干旱處理,和對干旱脅迫響應(yīng)較CK更敏感。

圖4 lpl2對干旱脅迫更敏感

A, E: 干旱處理前的ZH11和; B, F: 干旱后的ZH11和; C、G: 復(fù)水后的ZH11和; I: 干旱處理前的ZH11和; J: 干旱后的ZH11和; K: 復(fù)水后的ZH11和; D, H, L: 成活率。AD, IL: 苗期干旱, 標(biāo)尺為10 cm; EH, 抽穗期干旱, 標(biāo)尺為20 cm。每次實驗都定苗50株, 3次生物學(xué)重復(fù)實驗。D、H、L統(tǒng)計= 150, **表示極顯著性差異(< 0.01)。

A, E: ZH11 andbefore drought treatment; B, F: ZH11 andafter drought; C, G: ZH11 andafter rehydration; I: ZH11 andbefore drought treatment; J: ZH11 andafter drought; K: ZH11 andafter rehydration; D, H, L: survival rate of ZH11,and. AD, IL: plants of ZH11 andwere responsive to drought at seedling stage, bar: 10 cm; EH, plants of ZH11 andwere responsive to at heading stage, Bar: 20 cm. Each experiment, 50 seedlings were selected and biological experiments were repeated for 3 times. D, H, L:= 150. **:< 0.01 (Student’s-test).

2.5 lpl2-1和lpl2-2對鹽脅迫響應(yīng)更敏感

種植幼苗生長4周后, 對生長均勻的CK、和進(jìn)行不同濃度的鹽脅迫處理, 設(shè)置3個濃度,蒸餾水(0 mmol L–1)為對照組、用50 mmol L–1和100 mmol L–1的NaCl鹽水溶液處理作為實驗組(圖5-A, D), 6 d后, 澆灌100 mmol L–1鹽水的和葉片明顯出現(xiàn)萎蔫、下垂和枯死性狀, 50 mmol L–1處理的和對鹽脅迫響應(yīng)更敏感(圖5-B, E), 澆蒸餾水恢復(fù), 5 d后, 100 mmol L–1處理的和大量死亡, 而50 mmol L–1處理的和過半死亡(圖5-C, F), 統(tǒng)計恢復(fù)后成活植株, 計算成活率。實驗結(jié)果表明:和植株成活率僅是ZH11一半(圖5-G, H),和對50 mmol L–1和100 mmol L–1鹽處理耐受能力較CK明顯減弱, 對鹽脅迫響應(yīng)更敏感。

2.6 lpl2-1和lpl2-2氣孔密度增加, 離體葉片失水快

將正常澆水的幼苗期和營養(yǎng)生長期的ZH11、和, 用掃描電子顯微鏡掃描葉表皮, 拍照統(tǒng)計氣孔密度、測量氣孔長度、寬度及氣孔開口長度和寬度, 計算氣孔開度(圖3)。結(jié)果顯示,和氣孔密度無論是在幼苗期的第四和第五葉, 還是營養(yǎng)生長期的劍葉和次劍葉中, 氣孔密度均比CK極顯著增加(圖3-G, H)。和氣孔開度都大于CK, 兩者差異極顯著(圖3-C, F)。同時, 為了進(jìn)一步驗證和由于氣孔密度增加, 開度變大導(dǎo)致的對干旱環(huán)境更敏感表型, 用離體葉片進(jìn)行3 h的失水檢測, 通過對短期內(nèi)水分散失速率的計算, 結(jié)果表明, 在同等時間內(nèi),和葉片水分散失比CK更快, 水分散失速率顯著高于CK (圖6)。該研究表明,和對干旱和鹽脅迫更敏感, 是由于氣孔密度增加和氣孔開度的增大, 導(dǎo)致突變體氣孔關(guān)閉程度低于CK, 所以蒸騰作用更劇烈, 葉片失水更快更多, 因此突變體和表現(xiàn)出對外界環(huán)境逆境脅迫更敏感表型。

圖5 lpl2對鹽脅迫更敏感

A: ZH11與幼苗; B: 不同濃度NaCl處理,響應(yīng)比對照更敏感; C: 澆水恢復(fù)后,成活植株明顯少于CK; D: ZH11與幼苗; E: 不同濃度NaCl處理,響應(yīng)比對照更敏感; F: 澆水恢復(fù)后,成活植株明顯少于CK; AF, 標(biāo)尺為10 cm, 每次實驗都定苗25株, 4次生物學(xué)重復(fù)。G, H:、和ZH11成活率統(tǒng)計,= 100, **表示極顯著性差異(< 0.01)。

A: the seedlings of ZH11 and; B: the response ofwas more sensitive than CK with different concentrations of NaCl; C: after recovery from watering, the surviving plants ofwere significantly less than those of CK; D: the seedlings of ZH11 and; E: the response ofwas more sensitive than CK with different concentrations of NaCl; F: after recovery from watering, the surviving plants ofwere significantly less than those of CK; AF: bar: 10 cm. In each experiment, 25 seedlings were selected and four biological replicates were performed. G, H: survival rate of,, and ZH11,= 100, **:< 0.01.

2.7 過表達(dá)OsLPL2基因轉(zhuǎn)化lpl2-1恢復(fù)了突變體抗旱表型

克隆了ZH11中正?；騝DNA序列, 連接到p1301過表達(dá)載體, 過表達(dá)轉(zhuǎn)化突變體, 11株-/轉(zhuǎn)基因陽性, 分別編號為恢復(fù)(Complement, Com) #1～#11, 植株表皮lobe缺陷表型均得到恢復(fù)[9]。以Com #3為例, 將ZH11與轉(zhuǎn)基因后代植株用同樣的干旱方法處理, 干旱10 d后, Com #3沒有表現(xiàn)出明顯的敏感表型, 經(jīng)過14 d干旱, 植株葉片大半脫水萎蔫(圖7-A, B), 開始復(fù)水, 5 d后, 統(tǒng)計成活植株, Com #3與ZH11成活株率沒有顯著變化(圖7-C, D), 說明Com #3 恢復(fù)了對干旱脅迫敏感表型。用0、50和100 mmol L–1的NaCl鹽水溶液處理ZH11與轉(zhuǎn)基因后代植株, 6 d的Com #3植株沒有表現(xiàn)出和對100 mmol L–1鹽濃度的高敏感性(圖7-E, F), 8 d后, Com #3與ZH11葉片表現(xiàn)出明顯的變黃, 干枯癥狀(圖7-G), 澆等量蒸餾水恢復(fù), 5 d后, 統(tǒng)計成活植株, Com #3恢復(fù)較好, 成活率與ZH11無顯著性差異,對鹽脅迫敏感表型在轉(zhuǎn)基因后代得到恢復(fù)。研究結(jié)果表明, 由于基因突變, 氨基酸編碼提前終止, 導(dǎo)致功能缺失, 微絲合成受阻, 表皮細(xì)胞邊緣鋸齒狀凸出變平滑, 不能正常嵌套, 葉片保持水分能力減弱; 并且和氣孔密度增加, 氣孔開度增大, 水分散失速率加快, 因此對干旱和鹽脅迫響應(yīng)更敏感。本實驗結(jié)果表明,不僅在控制植物表皮細(xì)胞形態(tài)建成中發(fā)揮不可或缺作用, 在對抗逆境脅迫(干旱和高鹽環(huán)境)中也發(fā)揮著重要功能。

3 討論

3.1 植物葉片氣孔密度對干旱脅迫的響應(yīng)

在植物生長過程中, 當(dāng)植物遭受干旱、高鹽、低溫、病原菌等逆境脅迫時, 植物會通過一系列生理應(yīng)激反應(yīng)及代謝機(jī)制來抵御逆境脅迫。而干旱和鹽堿脅迫幾乎影響植物生理和新陳代謝多方面, 是影響植物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素之一。氣孔作為植物與外界環(huán)境進(jìn)行水分和氣體交換的重要通道,在調(diào)節(jié)植物光合作用、蒸騰作用以及水分利用中扮演著至關(guān)重要的角色[6,17]。本研究表明SCAR/WAVE復(fù)合體亞基OsLPL2也參與了抗旱響應(yīng)過程,和對干旱和鹽脅迫響應(yīng)更敏感。分析原因首先氣孔密度升高, 從第3葉到劍葉,氣孔密度都極顯著高于同時期ZH11葉片氣孔密度, 導(dǎo)致與外界環(huán)境接觸并開放的通道增多, 且氣孔開度增大, 導(dǎo)致短時間內(nèi)水分散失更快, 失水率更高, 因此對干旱響應(yīng)更敏感。這與前人研究水稻中突變體對干旱和鹽脅迫更敏感的表型是一致的,比野生型失水更快, 因為氣孔密度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著高于野生型[27]。野生型組成氣孔孔徑小, 水分?jǐn)U散阻力大, 減少因蒸騰作用流失過多水分, 從而避免干旱的不利影響[26-27]。Huang等[42]在水稻中鑒定了一個干旱脅迫敏感突變體(),氣孔密度增多, 氣孔開度增大, 因此水分流失較對照更多。功能缺失, 導(dǎo)致微絲合成受阻, 引起干旱脅迫條件誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉出現(xiàn)缺陷, 增加了ABA積累, 表現(xiàn)出對干旱更敏感表型,編碼SCAR/WAVE復(fù)合物的另一個亞基NAP1 (Nck-associated protein 1)蛋白,在肌動蛋白絲成核活性中起著至關(guān)重要的作用[42], 而基因在我們之前的研究中已經(jīng)克隆, 并命名為(基因號: LOC_), 通過體外酵母雙雜交實驗證明了OsLPL2與OsLPL3能直接相互作用, 可能形成一個小復(fù)合體, 功能缺失后表型與和非常類似, 表皮細(xì)胞邊緣lobe平滑, 氣孔密度增加[9,42]。以上研究結(jié)果表明,、和都是SCAR/WAVE復(fù)合體不同亞基, 在參與微絲成核過程中, 通過影響肌動蛋白微絲聚合來響應(yīng)干旱脅迫。前人研究表明, 氣孔關(guān)閉過程中, 保衛(wèi)細(xì)胞中的微絲要經(jīng)歷解聚與重新聚合的過程, 而微絲成核和再聚合的過程處于ABA信號通路下游, 是氣孔閉合所必需的[43]。當(dāng)氣孔處于完全張開狀態(tài)時, GCs中的微絲呈現(xiàn)一種以氣孔為中心的成束放射狀, 之后微絲解聚成隨機(jī)分布的狀態(tài), 牽引氣孔慢慢閉合, 最后微絲重新聚合成縱向的微絲束, 氣孔完全閉合[44-45]。微絲的這一動態(tài)變化受到抑制會導(dǎo)致GCs對ABA誘導(dǎo)的反應(yīng)遲緩, 并進(jìn)一步影響植物的干旱敏感性[45]。

圖6 ZH11與lpl2-1和lpl2-2幼葉與成熟葉離體葉片失水率

A: 幼苗期ZH11與離體葉片失水率對比, 第4、第5葉; B: 抽穗期ZH11與離體葉片失水率對比, 劍葉和次劍葉。= 50, **表示與對照有極顯著性差異(< 0.01)。和氣孔密度及失水率無顯著差異, 但是與CK差異極顯著。

A: comparison of water loss rate between ZH11 andat seedling stage, the fourth and fifth leaves; B: comparison of water loss rate between ZH11 andat heading stage, flag leaf and secondary flag leaf.= 50; ** indicates significant difference with the control group at< 0.01. There was no significant difference in stomatal density and water loss rate betweenand, but the difference was extremely significant betweenand CK.

圖7 OE-OsLPL2/lpl2-1恢復(fù)了lpl2-1對干旱和鹽脅迫耐受性

A: 干旱處理前幼苗期ZH11和Com #3; B: 干旱后的ZH11和Com #3; C: 復(fù)水后的ZH11和Com #3; D: 干旱復(fù)水后成活率統(tǒng)計,= 150, 3次生物學(xué)重復(fù), 每次定苗50株; EH: 分別是ZH11與Com #3不同濃度NaCl處理前, 處理6 d、8 d及恢復(fù)5 d后植株表型; I: 澆水恢復(fù)后, Com #3成活率與ZH11無顯著差異, 標(biāo)尺為10 cm,= 100, 4次生物學(xué)重復(fù), 每次定苗25株, NSnot significant。

A: ZH11 and Com #3 before drought treatment at seedling stage; B: ZH11 and Com #3 after drought treatment; C: ZH11 and Com #3 after rehydration treatment; D: survival rate.= 150, three biological replicates, 50 seedlings each experiment; EH: plant phenotypes of ZH11 and Com #3 were treated with different concentrations of NaCl for 0, 6, 8, and 5 d after recovery, respectively. I: survival rate of Com #3 and ZH11, after watering, was not significantly different, bar: 10 cm,= 100, four biological replicates were performed, 25 seedlings each time, NSnot significant.

水稻中報道的調(diào)控葉片氣孔密度響應(yīng)干旱脅迫的基因如下: 過量表達(dá)()和() 基因, 轉(zhuǎn)基因植株氣孔密度降低, 水分散失減少, 對干旱脅迫的耐受性顯著增強(qiáng)[46-47]。()基因影響表皮細(xì)胞的分化, 在水稻中功能缺失突變體氣孔密度升高、水分散失更多, 對干旱脅迫更敏感[48]。光敏色素B (,)控制水稻葉面積及氣孔密度, 影響植株抗旱[49],突變體葉表皮細(xì)胞面積減少, 數(shù)目減少, 表皮變大, 氣孔密度降低, 減少了水分的散失,比野生型更抗干旱脅迫[49]。影響氣孔密度大小主要因素有2個, 一是在氣孔系細(xì)胞分裂和分化過程中形成成熟氣孔和表皮扁平細(xì)胞數(shù)目; 二是葉表皮細(xì)胞體積的變化而導(dǎo)致單位葉面積上氣孔數(shù)目(氣孔密度)的變化, 因此對和等突變體的研究, 克隆更多控制氣孔密度和開度相關(guān)基因, 可通過基因工程手段合理控制和降低氣孔密度及導(dǎo)度, 減少單位葉面積水分蒸騰量, 是提高植物水分利用率和耐旱性的重要手段, 通過正調(diào)控氣孔關(guān)閉的基因可以提高植物在干旱脅迫下的及時關(guān)閉, 提高逆境脅迫條件下的存活率[38,43,50], 可為選育抗旱耐鹽堿品種提供理論基礎(chǔ), 具有很好的研究價值。

3.2 植物葉片氣孔開度對干旱脅迫的響應(yīng)

除了氣孔密度之外, 氣孔閉合程度也會影響作物干旱敏感性。用氣孔開度表示氣孔張開的程度, 氣孔開度為氣孔寬與長的比值。由于氣孔對非生物脅迫具有應(yīng)答作用, 氣孔可以根據(jù)外界環(huán)境的變化來改變自己張開大小, 盡量使植物在損失水分較少的條件下獲取最多的光合產(chǎn)物[51-52]。Fang和Xiong[53]研究認(rèn)為抗旱性強(qiáng)的植物氣孔(通過減少蒸騰來避免脫水)對水分虧缺很敏感, 在葉片趨于萎蔫之前, 氣孔關(guān)閉, 起到保水抗旱功能。劉延波等[54]研究表明, 過表達(dá)玉米基因到煙草中, 顯著降低了煙草葉氣孔密度, 提高抗旱性, 使煙草存活率比野生型提高80%。轉(zhuǎn)基因煙草植株和對照相比, 氣孔密度降低了50%, 測量干旱后植株氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和細(xì)胞間二氧化碳濃度都比對照降低, 轉(zhuǎn)基因煙草更抗旱[54]。() 作為抗逆性的負(fù)調(diào)控因子, 其功能缺失可促使葉片氣孔關(guān)閉, 減少水分蒸發(fā), 最終提高水稻的抗旱耐鹽能力[38]。重要的是, 抗逆性增強(qiáng)的突變體在正常生長情況下其產(chǎn)量與對照相比沒有明顯的變化, 為該基因在作物抗逆育種中的應(yīng)用提供了便利[38]。提高水稻()基因的表達(dá)量能使葉片氣孔的閉合程度增加, 水稻的耐旱性相應(yīng)增強(qiáng)[50,55]。過表達(dá)()基因提高抗旱性的同時, 對鹽脅迫耐受能力也大大提高[56]。同為單子葉植物玉米中,在ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉調(diào)控中起著重要作用, 過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻既能提高抗旱性又不影響籽粒產(chǎn)量[43]。同樣過表達(dá)基因轉(zhuǎn)化水稻和擬南芥, 轉(zhuǎn)基因植株氣孔密度減少、開度減小、減少蒸騰作用來發(fā)揮節(jié)水抗旱作用[43]。轉(zhuǎn)錄因子通過結(jié)合到啟動子上抑制表達(dá)來減少氣孔密度, 增強(qiáng)植株的抗旱性, 轉(zhuǎn)基因植株后代蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及氣孔密度比對照顯著降低[57]。

3.3 植物葉片表皮邊緣嵌合程度對干旱脅迫的響應(yīng)

野生型水稻表皮細(xì)胞邊緣呈鋸齒狀, 嵌套非常緊密, 而突變體表皮細(xì)胞邊緣比較平滑, 表皮細(xì)胞間咬合不緊密, 可能導(dǎo)致失水更多而對干旱脅迫更敏感。在雙子葉模式植物擬南芥中, 已經(jīng)報道了SCAR/WAVE復(fù)合體和Arp2/3復(fù)合體, 不同亞基單基因突變或雙基因突變體表現(xiàn)出扭曲表皮毛結(jié)構(gòu), 表皮細(xì)胞邊緣Lobe與Neck相互嵌套不緊密, 留有孔隙, Lobe凸出變平滑, 植株不抗旱等共同特征, 因為在野生型中, 表皮扁平細(xì)胞緊密嵌套模式, 對植物失水起到一個非常重要的保護(hù)作用, 而突變體葉表皮細(xì)胞之間鑲嵌不緊密, 會引起水分通過葉間隙散失[58]。研究結(jié)果表明氣孔孔徑降低能抑制干旱和鹽脅迫條件下的失水過程, 提升了植株的干旱和鹽脅迫耐受能力[59]。本研究中和表現(xiàn)出根變短、表皮邊緣嵌套不緊密, 容易導(dǎo)致葉片中水分的蒸騰散失, 因此判斷對干旱和鹽脅迫比對照更敏感, 主要因為極顯著增加的氣孔密度、增大的氣孔開度、平滑表皮嵌套不緊密和根長變短多因素共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對和兩個等位突變體的表型鑒定, 對比ZH11,株高變矮, 根長變短, 相同葉序氣孔密度、氣孔開度均極顯著增加, 且表皮扁平細(xì)胞邊緣鋸齒狀凸出變平滑, 表皮嵌套不緊密, 對干旱脅迫和鹽脅迫反應(yīng)更敏感, 復(fù)水恢復(fù)后, 統(tǒng)計成活率低于對照的一半, 短期內(nèi)離體葉片失水更快, 失水率更高, 過表達(dá)基因轉(zhuǎn)入突變體, 轉(zhuǎn)基因后代突變表型均得到恢復(fù), 對干旱和鹽脅迫處理敏感度降低, 與野生型無顯著性差異。研究結(jié)果說明基因不僅控制水稻表皮細(xì)胞邊緣微絲合成和形態(tài)建成, 也通過調(diào)控氣孔密度及開度在響應(yīng)植物逆境脅迫過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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Mechanism of drought and salt tolerance ofgene in rice

ZHOU Wen-Qi1,2, QIANG Xiao-Xia3, WANG Sen4, JIANG Jing-Wen1, and WEI Wan-Rong1,*

1Key Laboratory of Southwest China Wildlife Resources Conservation / College of Life Sciences, China West Normal University, Nanchong 637000, Sichuan, China;2Crops Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China;3Lanzhou No. 4 High School, Lanzhou 730050, China;4Shannxi Province Animal Husbandry Industry Experimental Demonstration Center, Xianyang 713702, Shaanxi, China

Drought threatens global agricultural production and limits the prospects for sustainable agricultural development. Plant leaf epidermis plays a vital role in the process of growth, development, and resistance to adversity stress, and water and gas exchange with the external environment. In this study, compared with the wild-type Zhonghua 11 (ZH11), we found that mutants() and() were more sensitive to drought and salt stress response, and the survival rate after rewatering was extremely significantly reduced, which was less than half of the control. Compared with ZH11,andhad shorter plant height, shorter root length, significantly increased stomatal density and stomatal openings in the same phyllodes, and the serrated lobe of the epidermal cell margin becomes smoother, and the epidermal cell nesting was not tight, which might result in faster and more water loss ofandthan ZH11. The water loss experiment of separated leaves also proved that the water loss rate ofandleaves was higher than that of the ZH11 in equal time. Overexpression ofwas transferred into, and the/transgenic positive plants recovered the smooth epidermis ofand the sensitive phenotype to drought and salt stress. These results showed thatgene not only controlled the microfilament synthesis and morphogenesis of rice epidermal cells, but also played a key role in response to plant stress by regulating stomatal density, stomatal conductance, and root growth and development. This study provides a theoretical basis for revealing the molecular regulation mechanism ofin response to drought stress in rice.

rice; drought tolerance; salt resistance; SCAR/WAVE complex; plant leaf epidermis

10.3724/SP.J.1006.2022.12032

本研究由2020年甘肅省科協(xié)青年科技人才托舉工程項目和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專項——博士基金項目(2020GAAS34)資助。

This study was supported by the Young Scientific and Technological Talents Support Project of Gansu Association for Science and Techno-logy in 2020 and the Agricultural Science and Technology Innovation Program of Gansu Academy of Agricultural Sciences (2020GAAS34).

衛(wèi)萬榮, E-mail: weiwr18@126.com

E-mail: zhouwenqi850202@163.com

2021-05-01;

2021-10-19;

2021-11-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20211117.2106.006.html