摘要: 在世界范围内，玉米生产频繁受到水资源短缺的威胁，所以进行玉米耐旱性的遗传改良的研究尤为重要。研究证明，当植物感受到水分胁迫时，DREB类转录因子对调控胁迫响应基因的表达起着重要作用。然而，这些基因的自然变异是否直接影响植物的耐旱性，自... 展开 在世界范围内，玉米生产频繁受到水资源短缺的威胁，所以进行玉米耐旱性的遗传改良的研究尤为重要。研究证明，当植物感受到水分胁迫时，DREB类转录因子对调控胁迫响应基因的表达起着重要作用。然而，这些基因的自然变异是否直接影响植物的耐旱性，自然界中是否存在这类基因的优良等位变异，它们是否能直接应用于玉米耐旱性的遗传改良等问题还有待研究。本研究中我们克隆了玉米B73基因组中所有可能编码ZmDREB1和ZmDREB2类的转录因子的基因。系统分析了它们在水稻、高粱和玉米间的进化关系和同线性关系、响应干旱胁迫的基因表达模式，以及每个蛋白质的转录激活活性。此外，在由来自全球368份玉米自交系构成的关联分析群体中，我们对每个ZmDREB基因的遗传变异和玉米苗期耐旱性进行了关联分析，发现ZmDREB2.7基因的遗传变异与植株耐旱性极显著相关，并且确定该基因编码区上游的遗传变异可能是导致表型变异的功能位点，提出可以利用该功能变异改良玉米苗期耐旱性。主要研究结果如下: 1、全面分析了玉米B73基因组序列（5b.60版本）（）中所有可能编码AP2/ERF类转录因子的基因，共鉴定并克隆到18个ZmDREB基因。在与拟南芥、水稻、高粱中的同源蛋白的进化树分析中发现，DREB1蛋白在单子叶和双子叶植物间分化较明显，在进化树上分别成簇聚集;而不同的DREB2蛋白在单子叶和双子叶植物间既存在保守性，也存在分化。这暗示不同ZmDREB2类基因的功能在物种间可能更为复杂。 2、分析两组基因在单子叶植物水稻、高粱和玉米间染色体片断上的共线性关系，发现ZmDREB基因所在的染色体片段与水稻和高梁的相应区段存在较好的共线性关系，特别是ZmDREB1.7，1.8，1.9，1.10，2.2和ZmDREB2.3/ZmABI4所在的区段，表明不仅是DREB基因本身，并且它们所在的染色体区段上的其它基因也存在进化上的保守性。 3、在玉米自交系B73中，正常生长条件下，不同ZmDREB基因的组织特异性表达模式存在较大差异;在苗期水分胁迫下，大多数ZmDREB1s基因的表达显著受到胁迫的诱导，而不同的ZmDREB2s基因诱导模式差异较大，且诱导量普遍低于ZmDREB1类基因。另外，对18个ZmDREB蛋白质序列和转录激活活性的分析中发现，不同ZmDREB蛋白的活性也存在较大差异，除了保守的AP2/ERF DNA结合域，所有的ZmDREB1s蛋白都含有一些保守基序，然而ZmDREB2类蛋白序列差异较大，表明ZmDREB基因在玉米中可能具有多样化的功能。 4、对由来自全球368份玉米自交系构成的关联分析群体的苗期耐旱性进行了表型分析，发现来自热带和亚热带的自交系的耐旱性的均值要高于温带和B73血缘的衍生自交系，而且表现出更广泛的遗传变异。利用这些材料上约52万个单核苷酸多态性信息，我们对14个ZmDREB基因的遗传变异和玉米苗期耐旱性进行了关联分析。研究发现，ZmDREB2.7的DNA多态性与玉米苗期耐旱性遗传变异关联最显著(P＜0.001)。对105份玉米自交系ZmDREB2.7基因组2.1kb片段测序分析发现，5个位于5'-非翻译区的碱基变异与表型显著相关，并且构成一个单体型。 5、分析了73份材料在正常生长、轻度和极度干旱三个水平下的ZmDREB2.7基因的mRNA水平，发现在早期干旱胁迫时，ZmDREB2.7基因的表达水平和存活率显著相关。推测5'-非翻译区的变异可能是该基因的功能变异。体外蛋白质-DNA结合实验证明ZmDREB2.7蛋白能与两种典型的DRE元件特异结合。转基因拟南芥植株过量表达ZmDREB2.7基因的耐旱性显著高于对照植株，表明在植物体内增强该基因的表达能提高植物的耐旱性。 6、选择了4个携带ZmDREB2.7基因优异等位基因的耐旱玉米自交系，分别与一个携带该基因非优异等位基因型的材料杂交，获得F2分离群体。利用分子标记在F2群体中对该基因进行基因型分析，并统计了对携带不同等位基因型的植株的耐旱性。分析发现，在4个分离群体中，携带ZmDREB2.7优异等位基因型的植株的耐旱性显著高于携带其非优异等位基因的植株。 综上所述，ZmDREB2.7的遗传变异可能直接影响玉米苗期耐旱性。该基因5'-非翻译区的5个碱基的变异构成的单体型是该基因的优异等位基因型，可能决定了该基因在干旱早期对胁迫的响应，从而影响植株的耐旱性。ZmDREB2.7自然变异的优异等位基因型的发现，为玉米耐旱性的分子育种提供了新的基因资源。 收起