摘要
干旱是影响全球农业生产可持续发展的主要环境胁迫之一，明确作物耐旱的生理与分子机制，可为筛选和培育抗旱作物品种以应对全球气候变化奠定理论基础。气孔是植物体与外界进行水分和气体交换的主要器官，与植物的光合作用和水分高效利用密切相关。野生大麦（Hordeum spontaneum）作为抗逆性较强的禾谷类作物，具有丰富的遗传多样性，是研究作物抗逆生理与分子机制的理想物种。本研究全面运用了植物生理学、比较基因组学、转录组学、分子生物学、细胞生物学和进化生物学的研究技术与方法，研究了不同野生大麦气孔响应干旱胁迫及干旱进化适应性的基因型差异，并解析了大麦气孔响应和调控干旱应答的关键阴离子通道的生物学功能，为在全球气候变暖和干旱频繁发生的环境下开展大麦抗旱育种工作提供了重要理论支撑。 取得主要结果如下： 1.脱落酸信号相关调控气孔关闭的离子转运体在陆生植物中的保守性进化 陆生植物通过植物激素脱落酸（abiscisicacid,ABA）主动调控气孔运动响应外界环境刺激这一机制的起源与进化仍是一个具有争议的课题。本研究选取36个包含水生藻类到被子植物在内的进化过程关键节点的代表性植物，以拟南芥中已知的23个ABA信号通路相关信号转导和关键转运体蛋白家族成员为代表，利用比较基因组学方法研究发现，水生蕨类植物Azolla filiculoides和Salvinia cucullata与其他陆生植物一样，具有已知的所有23个基因家族的同源蛋白，且实验结果表明在大麦中受到ABA诱导产生差异表达的基因在陆生蕨类Polystichum proliferum中亦受ABA的诱导差异表达，同时，在陆生蕨类P.proliferum和Nephrolepisexaltata中也观察到了ABA诱导的气孔关闭现象。系统发生学研究表明绿色植物气孔对ABA响应的关键转运体和信号蛋白如阴离子通道HvSLAC1（slow anion channel1）及其互作蛋白激酶HvOST1s（open stomata1）等的进化非常保守。以上结果说明，相对早期进化的蕨类植物中具有与种子植物类似的气孔主动调控分子基础和生理机制。 2.西藏野生大麦表皮组织耐旱的转录组调控网络 干旱处理后，西藏野生大麦XZ5比XZ54具有更好的光合能力、更稳定的气孔开度以及更高的产量和地上部生物量，说明XZ5的耐旱性显著优于XZ54。对两者叶片表皮进行转录组分析发现，干旱胁迫后，大麦叶片表皮组织差异表达基因可达6,627个，其中包括ABA信号通路相关基因及关键转运蛋白基因共838个，许多正向调控耐旱性基因如SLAC1/SLAHs（SLAC1homologue）和OST1s等在干旱处理后在XZ5显著上调表达，而在XZ54中变化不显著或呈下调表达。多种信号通路在大麦叶片表皮被激活，共同应答并转导相关重要信号以适应干旱胁迫；同时，亦存在多种信号通路共同参与调控气孔开度以应对水分亏缺。 3.以色列进化谷野生大麦的干旱适应性对基因组和转录组进化的调控机制 通过光合指标和气孔参数测定、干物重测定、叶片转录组测序以及基因组重测序结果发现，相较于温暖潮湿的以色列进化谷欧洲坡，高温干旱的非洲坡塑造了野生大麦群体独特的气孔和光合作用性状及其遗传变异。与欧洲坡相比，非洲坡野生大麦在干旱胁迫下具有更高的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，而气孔指数和保卫细胞体积更小，这些指标均与野生大麦的耐旱性显著相关。非洲坡野生大麦群体第3号和第4号染色体上具有最多数量的SNPs和InDels。两坡野生大麦群体在进化适应性过程中受到平衡选择影响，非洲坡的野生大麦群体的遗传多样性更为丰富，且位于第5号染色体上的部分基因受到了定向选择和物种扩张的影响。此外，通过选择性清除分析在两坡野生大麦群体中共挖掘161个潜在的干旱适应性基因，其中SLAC/SLAHs同源基因仅在耐旱性更强的非洲坡野生大麦群体中受到驯化。 4.大麦阴离子通道HvSLAC1和HvSLAH3及其互作蛋白HvOST1s的生物学功能 大麦组织定位结果表明，HvSLAC1、HvOST1.1和HvOST1.5均在表皮组织中丰度表达，HvSLAH3（SLAC1homologue3）在表皮组织中也有表达。通过非洲爪蟾卵母细胞异源表达双电极电压钳对蛋白功能检测证明，大麦HvSLAC1和HvSLAH3可分别被HvOST1.1和HvOST1.5激活，且可同时被拟南芥AtOST1激活。将HvSLAC1和HvSLAH3基因转入拟南芥突变体slac1-3构建功能互补株系时发现，与ABA不敏感的拟南芥突变体slac1-3相比，转基因互补株系均可以恢复ABA诱导的气孔关闭和细胞质钙离子浓度提高的表型。然而与拟南芥野生型相比，功能互补株系并没有表现出更快的ABA诱导的气孔关闭速率。由此可见，大麦中ABA诱导的气孔快速关闭可能由草类气孔结构和发育相关的基因决定，而不是“主开关”SLAC/SLAH阴离子通道。
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