摘要
氮素是植物生长发育所必需的大量元素之一，谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮代谢过程中的关键酶，酶活性的高低影响农作物对氮素的利用以及农艺性状。植物中的GS主要有胞质型GS1与质体型GS2这两大类。此前的研究发现小麦基因组中共有3个GS2基因，分别位于2A、2B和2D染色体，各有2、6和2种单元型;并通过关联分析获得了与氮素利用和农艺性状关联的优良单元型，但还需要在遗传学上证明这些优良单元型对氮素利用和农艺性状的影响。深入挖掘提高氮素利用效率的TaGS2优良单元型，对小麦氮高效育种具有重要的科学意义。 在TaGS2所有单元型中，共有三类TaGS2蛋白，A位点编码TaGS2-A1，B位点编码TaGS2-B1，D位点编码TaGS2-D1a(氨基酸序列与TaGS2-A1一致)和TaGS2-D1b。通过构建这三类蛋白的原核表达载体，进行体外原核表达蛋白，检测三类蛋白在体外的酶活性差异，结果表明TaGS2-A1(TaGS2-D1a)酶活性为最高，比TaGS2-B1与TaGS2-D1b高出30％-40％。结合这三类蛋白氨基酸序列差异的结果，预示单个位点的氨基酸差异对TaGS2的酶活性具有重要影响。 通过对小麦品种小偃81离子束诱变的突变体库的筛选，得到TaGS2不同成员的敲除突变体。我们在低氮与高氮两个氮水平下开展了TaGS2突变对农艺性状以及氮素利用效率的影响的研究。结果表明在三个TaGS2基因中，TaGS2-A1与TaGS2-B1是主要成员。与野生型亲本小偃81相比，无论是低氮还是高氮处理下，突变体tags2-a1与tags2-b1的株高、穗数和籽粒产量都显著降低，氮素利用效率下降，而tags2-d1在农艺性状与氮素利用上基本没有变化。此外，tags2-a1与tags2-b1表现出低氮下更加敏感的特点，在高氮处理下单株产量降低30％-35％，而在低氮处理下降低了40％-50％。我们还测定了籽粒与秸秆的氮含量。无论在高氮还是低氮条件下，tags2-a1与tags2-b1提高了小麦的籽粒氮浓度。秸秆氮含量测定结果表明突变体tags2-a1与tags2-b1秸秆的氮浓度在低氮水平下与野生型相当，但在高氮水平下高于野生型，说明TaGS2的突变影响到氮素转运到籽粒的过程。 本研究利用转基因技术将优良单元型TaGS2-A1bpro∷TaGS2-A1b导入小麦品种科农199，以期提高小麦氮素利用效率。结果显示，转基因小麦的生物量、籽粒产量都得到了提高。15N标记试验表明表达TaGS2-A1bpro∷TaGS2-A1b增加小麦的氮吸收总量，提高小麦的籽粒氮含量，此外还可增加灌浆期功能叶片中的氮素积累。
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