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作物气孔由对环境变化敏感的两个保卫细胞组成,通过调节气孔开闭,可控制CO2气体交换和光合作用,同时控制水分蒸腾。因而,对气孔运动及相关性状调控机理的研究,不但有理论价值,而且在作物水分利用效率、抗旱性以及产量等性状的遗传改良上也有重要的应用价值。鉴于此,我们解析了植物气孔功能的分子机理,并对农作物相关抗逆基因的进行了克隆鉴定。主要研究成果如下：对小麦气孔信号转导和发育规律进行了深入分析。发现小麦气孔对生理和气候环境因子的应答比拟南芥更灵敏;小麦气孔发育中,两个副卫细胞先分化,而后保卫细胞母细胞发育成两个对称的哑铃型保卫细胞,发育过程与拟南芥有显著不同;鉴定了小麦中气孔信号转导元件基因TaPLDα的功能。在干旱处理下,过表达TaPLDα拟南芥失水速率下降较慢、含水量较高、离子渗漏率较低,干旱复水后成活率高。在渗透胁迫下,转基因植株的根系更长,植株耐受性更强,逆境应答基因的表达量明显提高,从而加强了转基因植物的抗逆性;对玉米中决定气孔功能的基因ZmHK9进行了深入解析。发现过表达ZmHK9的拟南芥气孔尺寸变小,密度降低。转基因拟南芥气孔开度始终小于野生型,表明气孔发育不同是转基因植株耐旱的主要原因;鉴定了与气孔功能密切相关的高粱SbCer6、SbCer7和SbWIN1。过表达上述基因的拟南芥的叶表面比野生型的叶片表面更有光泽,表面蜡质的蜡质明显增加了。RT-PCR分析结果表明,转基因拟南芥中多个与蜡质合成代谢途径相关基因的表达量明显的增加。转基因植株的蜡质含量高,抗旱性显著提高;发现了决定植物蒸腾效率的基因AtCesa7。该基因突变体的气孔复合体、表皮细胞都明显小于野生型,气孔密度和气孔指数与野生型有极显著的差异。与野生型相比,突变体植株的碳同位素辨别率较低,其蒸腾效率明显提高;构建了农作物气孔研究平台,并对农作物转基因技术进行了系统研究。气孔研究平台包括精密环控舱、生物分析箱、植物气孔运动的活体动态观察系统、光合仪及水势仪等。研究了茎尖浸染法、花粉管通道法和子房注射法等农作物非组织培养转基因方法。
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