《水稻耐高温分子机制进展》
该文是水稻有关硕士学位毕业论文范文跟水稻和分子和机制和进展有关硕士毕业论文范文.
摘要：水稻作为全球第三大粮食作物,是约50%世界人口的主要粮食,我国三分之二的人口以水稻为主食,保证我国水稻高产是确保我国粮食安全的重要课题.环境胁迫尤其是高温胁迫对水稻的各个时期都会造成极大损害,从而降低水稻的产量和品质.为解决上述难题提供可能性,多个研究组报道了水稻响应高温的分子机制.本文综述了近年来对水稻响应高温分子机制的研究成果,从基因克隆、重要SNP鉴定及功能分析等方面阐述水稻耐高温分子机制,为利用分子育种方法鉴定及选育耐高温品种提供参考.
关键词：水稻;耐高温;分子机制;分子育种
中图分类号：S511文献标识码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.01.004
Recent Advances in Molecular Mechanis of Thermotolerance in Rice
LIU Jingyan, YAN Shuangyong, ZHANG Rongxue, SUN Linjing, SUN Yue
（Tianjin Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding, Tianjin Crop Research Institute,Tianjin 300384, China）
Abstract： As the third largest food crop in the world, rice is the main food for about 50% of the world's population. Two-thirds of China's population mainly eats rice. Ensuring high yield of rice in China is an important issue to ensure food security in China. Environmental stress, especially heat stress, will cause great damage to rice at all stages, thus reducing the yield and quality of rice. In recent years, several research groups he reported the molecular mechani of rice response to heat, which provides the possibility to solve this problem. In this paper, the molecular mechani of rice response to heat in recent years was reviewed. The molecular mechani of rice thermotolerance was elaborated from the aspects of gene cloning, important SNP identification and functional analysis, which could provide a reference for identifying and breeding thermotolerantcrops by molecular breeding methods.
Key words： rice; thermotolerance; molecular mechani; molecular breeding
全球變暖以各种方式威胁人类生存,其中之一是降低作物产量[1-3].我国水稻种植面积为3 100万hm2,约占世界种植面积的20%,总产量居世界第一.环境胁迫,例如温度、干旱、盐碱等胁迫,可影响植物种子萌发、营养生长到生殖生长等一系列过程[4].其中高温胁迫对水稻各个时期均会产生不同程度的作用,严重影响水稻的产量和品质[2],进而威胁我国食品安全[5].
研究表明,在干旱期局部夜间温度每升高1 ℃,水稻产量可减少10%[3],全球变暖对其他的主要粮食作物包括小麦、玉米和大麦等的生产也造成了负面影响.2013年夏天中国东部的高温天气对农作物造成了毁灭性的影响.植物通过重新设定它们的生长和发育来响应温度变化,尽管近年来在遗传改造植物提高它们对高温应激的耐受力方面取得了一些进展,但这些研究都主要局限于模式植物拟南芥.目前对水稻耐高温的分子机制也有一定报道,本文主要综述近年来水稻耐高温基因的克隆及分子机制方面的研究进展.
1 耐高温基因TT1的克隆及重要SNP鉴定
非洲稻具有耐高温的特性,因此发掘其中的分子机制,可以为育成耐高温性水稻品种提供宝贵的基因资源[6-7].为了鉴定耐高温基因,上海植生所林鸿宣课题组以非洲稻品种CG14做供体亲本,亚洲粳稻武运粳（WYJ）做轮回亲本构建染色体片段代换系CSSLs,发现CG14中至少有5个与耐高温有关的QTL （quantitative trait locus）,经过精细定位鉴定了其中一个主效QTL 并命名为TT1.
TT1编码一个26S蛋白酶体的α2亚基,参与蛋白质泛素化降解过程,具有高度保守性,在小鼠及酵母中均能找到相似度高于70%的同源基因[8-9].基因表达分析显示TT1基因在非洲稻CG14中表达量较高,是WYJ的2倍左右,且明显受高温诱导表达.携带TT1片段的近等基因系NILCG14与亲本NILWYJ相比在苗期具有明显的耐高温性.泛素组分析表明非洲稻中的TT1蛋白对维持该品种中高温响应蛋白的平衡,尤其是清除毒性蛋白从而保护植物细胞方面具有重要作用.研究者鉴定了该基因上的一个关键的功能SNP位点H99,具有该位点的非洲稻与没有该位点的其他品种水稻相比,TT1基因表达上调2倍左右,高温下的存活率增长1～3倍.研究者分析了含有非洲稻TT1片段的近等基因系的高温表型,发现与对照组相比,含有非洲稻TT1片段的NIL（CG14）在开花期及灌浆期高温处理下具有更高的产量及更好的稻米品质,暗示该基因在生产应用方面的价值.异源表达TT1在高羊茅及拟南芥中均获得了较好的耐高温性,暗示该基因在耐高温性方面具有普适性.TT1是第一个鉴定出的水稻耐高温基因,Li等[10]鉴定了重要的功能SNP位点,且分析了TT1在水稻耐高温过程中的分子机制,为后续分子育种改良品种提供良好的分子基础.
2 受体激酶ERACTA参与水稻响应耐高温分子机制
类受体激酶被广泛报道参与植物生长发育的各个途径,ERECTA是其中研究最多的一个激酶[11].该基因编码一个富含亮氨酸重复序列的丝/苏氨酸类受体激酶[12],在植物生长发育、逆境胁迫等多方面发挥作用,包括叶片及花发育、气孔分布等[13-14].此外,ERECTA基因还参与赤霉素及生长素等激素信号通路和光信号通路介导的下胚轴伸长过程[11],这些作用显示了它在植物遗传育种方面的应用潜力.但ERECTA基因参与植物非生物胁迫响应的分子机制尚不清楚.
中科院上海植物生理生态研究所何祖华研究组发现,在拟南芥、水稻及番茄中过表达ERECTA基因可以增强植株的耐高温性,同时提高生物量.敲除或敲减该基因可不同程度降低植物的耐热性.这为不改变植株生长状态的同时提高植物耐逆性的分子改造提供基础信息.作者从拟南芥中克隆了位于第二号染色体上的耐热基因ERECTA,突变体表现出生长发育表型及温度诱导的光合能力与轴背极性的异常[15-16],ERECTA过表达植株表现出明显的耐高温表型,较野生型植株在高温下的存活率有显著提高（野生型约为48%,过表达植株为65%～75%）,突变体则比野生型对高温更敏感,高温存活率较野生型降低20%左右.ERECTA基因是调节植物蒸腾效率及水分利用的关键作用元件[15],该研究结果表明,过量表达ERECTA基因使植物的气孔开度减小,正常温度下提高植物水分利用率约30%,高温条件下提高植物水分利用率约50%[17].研究者为了证明该基因的功能普适性,在水稻和番茄中均过量表达ERECTA,得到的转基因植株对高温的耐受性均显著提高,同时对水稻及番茄中的ERECTA进行突变或敲除均降低这两种植物的耐热性.对实验室数据及近3年上海、武汉地区的田间数据进行调查分析发现：高温胁迫后,水稻过表达植株的结实率为55%～70%,对照组仅为35%左右.在番茄中,过量表达该基因对高温的耐受性可提高1～3倍.说明ERECTA对提高作物高温耐受性具有显著作用.这些结果都显示ERECTA可作为提高作物耐逆性分子育种的候选基因.
3 蛋白泛素化清除机制参与水稻响应耐高温分子机制
蛋白泛素化是一种重要的蛋白翻译后修饰,作为一种蛋白清除机制,在各种生命过程中发挥重要作用.26S蛋白酶体降解途径是其中的一种,该过程需要包括E1、E2及E3蛋白参与,其中E3泛素连接酶与底物蛋白直接结合,介导其进入26S蛋白酶体降解途径[18].许多E3泛素连接酶在非生物胁迫中的调控机制已被报道[19-20].水稻中多个E3泛素连接酶参与多种非生物胁迫,包括盐胁迫、重金属胁迫及渗透胁迫等[21-24],涉及温度胁迫的E3也有很多,如OsHCI1[25]、OsHTAS[26]、OsHOS1[27]等,暗示E3泛素连接酶及26S蛋白降解途径在水稻耐热性中发挥了重要作用,但其中的具体作用机制仍未阐明.
最近,韩国Cheol Seong Jang研究组发现E3连接酶OsHIRP1介导的泛素化过程也参与了水稻响应高温的调控过程[28].OsHIRP1转录水平受高温及干旱胁迫诱导上调表达,其蛋白定位在高温条件下部分聚集在核中.通过酵母双杂交筛选及鉴定,OSHIRP1与OsARK4及OsHRK1相互作用.作为E3泛素连接酶,OsHIRP1可以在体外泛素化Os*R4和OsHRK1,这两种蛋白仅在高温情况下降解.过表达HIRP1可以使植物種子在高温条件下有更高的萌发率（随温度升高上调1～5倍不等）,并且植株在高温逆境下的存活率也更高（对照组34%,试验组64.7%）.一些高温上调的标记基因如HA3,HSP17.3,HSP18.2和HSP20等在过表达植株中明显表达上调.根据这些证据,作者认为OsHIRP1在水稻响应高温的分子调控过程中起到重要作用[28].
4 转录因子参与水稻响应高温胁迫机制
转录因子在水稻非生物胁迫中的作用已有多个报道.过表达水稻OsDREB1可以增强植株对高盐、干旱及低温的耐受性[29].在水稻中过表达TFIIIA 型锌指蛋白增加游离脯氨酸和可溶性糖含量,可有效增强抗逆基因的表达,并提高植物抗旱性及抗盐性[30].WRKY家族是植物中一类参与各种生理过程的重要转录因子,大部分对WRKY蛋白作用的报道介绍了其在植物抗病方面的作用[31-32].OsWRKY11编码水稻一个WRKY结构域转录因子,在水稻中的表达受到热胁迫及干旱胁迫诱导.为了规避组成型启动子可能带来的株型变化,研究者构建了HSP101启动子连接OsWRKY11的转基因植株.热处理后,过表达植株表现出明显的耐高温性和耐旱性,表现为叶片萎蔫较慢,植株成活率提高2倍左右（对照组分别为39.8%和46.6%,试验组分别为81.7%和94.1%）.由于分离叶片的失水速度较慢,植物还表现出显著的耐干燥性.以上结果表明,OsWRKY11基因在高温干旱胁迫反应中起着重要作用,可能有助于提高植物的逆境耐受性.
5 展 望
以上总结了近年来发表的水稻耐热基因及其作用机制.值得注意的是比较有影响力的文章均出自中国研究组,说明我国水稻研究位于世界前列.近年来随着极端高温天气出现时间和空间的增加,水稻的产量和品质面临着严峻挑战.因此解析水稻响应高温的基因及分子机制,寻找关键SNP,可为分子育种提供更多基因工具.目前这方面的研究仍旧很少,可用于育种的信息还需要进一步挖掘,未来我们可以利用新的技术,如代谢组,eQTL等手段挖掘更多耐热基因,并利用定点突变编辑技术加快育种速度,期待同行发表更多该领域的优秀文章,育成更多耐逆优质的水稻品种,为实现乡村振兴助力.
参考文献：
[1]BATTISTI D S, NAYLOR R L. Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat[J]. Science, 2009, 323（5911）： 240-244.
[2]LOBELL D B, SCHLENKER W, COSTA-ROBERTS J. Climate trends and global crop production since 1980[J]. Science, 2011, 333（6042）： 616-620.
[3]PENG S, HUANG J, SHEEHY J E, et al. Rice yields decline with higher night temperature from global warming[J]. Proceeding of national academy of science, 2004, 101（27）： 9971-9975.
[4]MAHAJAN S, TUTEJA N. Cold, salinity and drought stresses： an overview[J]. Archive biochemistry & biophysics, 2005, 444（2）： 139-158.
[5]LYMAN N B, JAGADISH K S, NALLEY L L, et al. Neglecting rice milling yield and quality underestimates economic losses from high-temperature stress[J]. Plos one, 2013, 8, e72157.
[6]LINARES O F. African rice （Oryza glaberrima）： history and future potential[J]. Proceeding of national academy of science, 2002, 99（25）： 16360-16365.
[7]S*AI H, IKAWA H, TAN*A T, et al. Distinct evolutionary patterns of Oryza glaberrima deciphered by genome sequencing and comparative analysis[J]. The plant journal, 2011, 66（5）： 796-805.
[8]HUBER E, BASLER M, SCHWAB R, et al. Immuno- and constitutive proteasome crystal structures reveal differences in substrate and inhibitor specificity[J]. Cell, 2012,148（4）： 727-738.
[9]GROLL M, DITZEL L, WE J, et al. Structure of 20S proteasome from yeast at 2.4 A resolution[J]. Nature, 1997, 386（6624）： 463-471.
[10]LI X M, CHAO D Y, WU Y, et al. Natural alleles of a proteasome alpha2 subunit gene contribute to thermotolerance and adaptation of African rice[J]. Nature genetics, 2015, 47（7）： 827-833.
[11]ZANTEN M V, SNOEK L B, PROVENIERS M C, et al. The many functions of ERECTA[J]. Trends in plant science, 2009, 14（4）： 214-218.
[12]TORII K U, MITSUKAWA N, OOSUMI T, et al. The Arabidopsis ERECTA gene encodes a putative receptor protein kinase with extracellular leucine-rich repeats[J]. Plant cell, 1996, 8（4）： 735-746.
[13]SHP* E D, BERTHIAUME C T, HILL E J, et al. Synergistic interaction of three ERECTA-family receptor-like kinases controls Arabidopsis organ growth and flower development by promoting cell proliferation[J]. Development, 2004, 131（7）： 1491-1501.
[14]SHP* E D, MCABEE J M, PILLITTERI L J, et al. Stomatal patterning and differentiation by synergistic interactions of receptor kinases[J]. Science, 2005, 309（5732）： 290-293.
[15]MASLE J, GILMORE S R, FARQUHAR G D. The ERECTA gene regulates plant transpiration efficiency in Arabidopsis[J]. Nature, 2005, 436（7052）： 866-870.
[16]QI Y, SUN Y, XU L, et al. ERECTA is required for protection against heat-stress in the AS1/ AS2 pathway to regulate adaxial-abaxial leaf polarity in Arabidopsis[J]. Planta, 2004, 219（1）： 270-276.
[17]SHEN H, ZHONG X, ZHAO F, et al. Overexpression of receptor-like kinase ERECTA improves thermotolerance in rice and tomato[J]. Nature biotechnology, 2015, 33（1）： 996-1003.
[18]STONE S L. The role of ubiquitin and the 26S proteasome in plant abiotic stress signaling[J]. Frontiers in plant science, 2014, 5（5）： 135.
[19]DONG C H, AGARWAL M, ZHANG Y, et al. The negative regulator of plant cold responses, HOS1, is a RING E3 ligase that mediates the ubiquitination and degradation of ICE1[J]. Proceeding of national academy of science, 2006, 103： 8281-8286.
[20]LIM S D, HWANG J G, JUNG C G, et al. Comprehensive analysis of the rice RING E3 ligase family reveals their functional diversity in response to abiotic stress[J]. DNA research, 2013, 20（3）： 299-314.
[21]CHAPAGAIN S, PARK Y C, KIM J H, et al. Oryza sativa salt-induced RING E3 ligase 2（OsSIRP2） acts as a positive regulator of transketolase in plant response to salinity and ootic stress[J]. Planta, 2018, 247： 925-939.
[22]HWANG S G, KIM J J, LIM S D, et al. Molecular dissection of Oryza sativa salt-induced RING Finger Protein 1 （OsSIRP1）： possible involvement in the sensitivity response to salinity stress[J]. Physiology plant, 2016, 158： 168-179.
[23]HWANG S G, CHAPAGAIN S, HAN A R, et al. Molecular characterization of rice arsenic-induced RING finger E3 ligase 2（OsAIR2） and its heterogeneous overexpression in Arabidopsis thaliana[J]. Physiology plant, 2017, 161： 372-384.
[24]PARK Y C, CHAPAGAIN S, JANG C S. A Negative Regulator in Response to Salinity in Rice： Oryza sativa Salt-, ABA-and Drought-Induced RING Finger Protein 1 （OsSADR1） [J]. Plant and cell physiology, 2018, 59（3）： 575-589.
[25]LIM S D, CHO H Y, PARK Y C, et al. The rice RING finger E3 ligase, OsHCI1, drives nuclear export of multiple substrate proteins and its heterogeneous overexpression enhances acquired thermotolerance[J]. Journal of experimental botany, 2013, 64（10）： 2899-2914.
[26]LIU J, ZHANG C, WEI C, et al. The RING finger ubiquitin E3 ligase OsHTAS enhances heat tolerance by promoting H2O2-induced stomatal closure in rice[J]. Plant physiology, 2016, 170（1）： 429-443.
[27]LOURENCO T, SAPETA H, FIGUEIREDO D D, et al. Isolation and characterization of rice（Oryza sativa L.） E3-ubiquitin ligase OsHOS1 gene in the modulation of cold stress response[J]. Plant molecular biology, 2013,83（4）： 351-363.
[28]KIM J H, LIM S D, JANG C S, et al. Oryza sativa heat-induced RING finger protein 1（OsHIRP1） positively regulates plant response to heat stress[J]. Plant molecular biology,2019, 99： 545-559.
[29]ITO Y, KATSURA K, MARUYAMA K, et al. Functional analysis of rice DREB1/CBF-type transcription factors involved in cold-responsive gene expression in transgenic rice[J]. Plant and cell physiology, 2006, 47（1）： 141-153.
[30]XU D Q, HUANG J, GUO S Q, et al. Overexpression of a TFIIIA-type zinc finger protein gene ZFP252 enhances drought and salt tolerance in rice （Oryza sativa L.）[J]. FEBS letters, 2008, 582（7）： 1037-1043.
[31]LIU X, BAI X, WANG X, et al. OsWRKY71, a rice transcription factor, is involved in rice defense response[J]. Journal of plant physiology, 2007, 164（8）： 969-979.
[32]SHIMONO M, SUGANO S, N*AYAMA A, et al. Rice WRKY45 plays a crucial role in benzothiadiazole-inducible blast resistance[J]. Plant cell, 2007, 19（6）： 2064-2076.
收稿日期：2019-12-03
基金項目：国家重点研发计划（2017YFD0100505）;天津市农业科学院青年科研人员创新研究与实验项目（2019001）天津市自然科学基金面上项目（19JCYBJC29500）;转基因专项（2016ZX08001004-002）
作者简介：刘静妍（1986—）,女,天津人,助理研究员,博士,主要从事水稻响应温度的功能研究.
通讯作者简介：孙玥（1982—）,女,吉林榆树人,副研究员,主要从事作物遗传育种研究.
归纳上述,本文是一篇关于水稻方面的大学硕士和本科毕业论文以及水稻和分子和机制和进展相关水稻论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
水稻引用文献:
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