SbER10＿X1调控饲用...用和生物产量的功能特性分析_郑甲成.pdf

第 32 卷第 4 期Vol.32，No.491-1002023 年 4 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA郑甲成，余婕，李凡，等.SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析.草业学报，2023，32（4）：91100.ZHENG Jia-cheng，YU Jie，LI Fan，et al.Functional characterization of the role of SbER10_X1 in regulating photosynthesis and biomass of sorghumforage.Acta Prataculturae Sinica，2023，32（4）：91100.SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析郑甲成1*，余婕1*，李凡1，黄小奕1，李杰勤1，陈海州3，王歆1，詹秋文1*，徐兆师2*（1.安徽科技学院，安徽 凤阳 233100；2.中国农业科学院作物科学研究所，国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程，农业农村部麦类生物学与遗传育种重点实验室，北京 100081；3.安徽友鑫农业科技有限公司，安徽 合肥 230000）摘要：为了分析 SbER10_X1调控高粱光合作用和生物产量的功能特性，本研究以高粱 SbER10_X1基因过表达株系（SbERex）、目的基因沉默株系（SbERin）和野生型对照株系（WT）为材料，鉴定转基因株系的阳性和目的基因表达水平，挑选 SbERex 5和 SbERin 6株系，切片观察茎秆细胞大小，测定主茎秆内植物激素含量，分析光合作用相关参数，并连续两年调查生物量相关指标。结果表明：与 WT 株系相比，SbERex 5茎秆中赤霉素含量显著增加，脱落酸含量显著降低，导致过表达株系茎秆细胞显著增大，株高显著增加，而 SbERin 6株系的赤霉素含量显著减少，脱落酸含量显著升高，但主茎秆细胞大小变化不显著。SbERex 5 株系的光合速率和水分利用效率显著增加，引起SbERex 5的株高、分蘖数、叶面积、单株产量和单株生物量显著高于 WT，而 SbERin 6仅存在减小趋势。结果表明SbER10_X1可以影响植物激素合成，导致高粱细胞体积增大，光合能力增强，有效提升饲用高粱生物产量。关键词：高粱；SbER10_X1基因；光合作用；生物量；植物激素Functional characterization of the role of SbER10_X1 in regulating photosynthesis andbiomass of sorghum forageZHENG Jia-cheng1*，YU Jie1*，LI Fan1，HUANG Xiao-yi1，LI Jie-qin1，CHEN Hai-zhou3，WANG Xin1，ZHAN Qiu-wen1*，XU Zhao-shi2*1.Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China；2.Institute of Crop Science，Chinese Academy ofAgricultural Sciences，National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement，Key Laboratory of Biology andGenetic Improvement of Triticeae Crops，Ministry of Agriculture，Beijing 100081，China；3.Anhui Youxin Agricultural Science andTechnology Co.LTD，Hefei 230000，ChinaAbstract：The objective of this study was to functionally analyze SbER10_X1 in terms of its role in regulating thephotosynthesis and biomass of sorghum.We generated SbERex lines overexpressing the sorghum SbER10_X1 geneand SbERin lines with the target gene silenced.From the transgenic lines，we selected SbERex 5 and SbERin 6 linefor observations of stem cell size，determination of phytohormone contents in the main stems，analyses ofphotosynthesis-related parameters，and measurement of biomass-related traits in 2 consecutive years，and comparedDOI：10.11686/cyxb2022173http：/收稿日期：2022-04-19；改回日期：2022-07-27基金项目：安徽科技学院校级研究生科研项目（YK202103），国家级大学生创新创业训练计划项目（202210879054）和转基因生物新品种培育重大专项（2016ZX08002-002）资助。作者简介：郑甲成（1984-），男，甘肃庆阳人，副教授，博士。E-mail：。余婕（1998-），女，安徽广德人，在读硕士。E-mail：。共同第一作者 These authors contributed equally to this work.通信作者 Corresponding author.E-mail：，Vol.32，No.4ACTA PRATACULTURAE SINICA（2023）these attributes with those of the wild type（WT）.Compared with the WT，SbERex 5 showed a higher gibberellincontent in the stem and markedly decreased abscisic acid content，leading to a significant enlargement of stem cellsand increased plant height.The SbERin 6 line showed a significantly reduced gibberellin content and increasedabscisic acid content in the stem，but the stem cell size was unchanged.Compared with the WT，the SbERex 5 lineshowed significantly increased photosynthetic rate and water-use efficiency，which contributed to significant increasesin plant height，number of tillers，leaf area，grain yield，and biomass per plant.All these characteristics showedslightly lower values in SbERin 6 than in WT.These results suggest that SbER10_X1 affects phytohormonesynthesis，increases sorghum cell size，enhances photosynthetic capacity，and effectively improves the biomassproduction of forage sorghum.Key words：sorghum；SbER10_X1 gene；photosynthesis；biomass；phytohormones高粱（Sorghum bicolor）作为畜牧业中重要的饲草来源，既可做牧草放牧，又可刈割做青饲、青贮和干草，发展前景很好。近年来，由于过度放牧，土壤风蚀、水蚀、盐碱化加重，以天然草地为主的草原畜牧业已没有优势可言。高粱具有耐涝、耐干旱、抗高温、耐盐碱、生物量高等天然优势1，在旱地或者盐碱地作为饲草种植，优势明显，有利于促进中西部畜牧业的快速发展2。然而，大多数地区高粱栽培品种混杂，生长过程中受到病毒3、真菌4、重金属5、低温6、干旱、高盐7等多种生物和非生物逆境胁迫的影响，生长优势弱，单产低，严重制约高粱产量增加和品质提升。据报道，在已测通的高粱全基因组序列中，基因组较小，基因组中含有许多与高产、抗逆、发育相关的优良基因。因此，积极挖掘和鉴定调控高粱生长和抗逆相关的基因，解析其作用机理，对培育生物产量高、抗逆性强的高粱新品种具有重要意义。ERECTA（ER）家族属于类受体激酶，其功能在拟南芥（Arabidopsis thaliana）、小麦（Triticum aestivum）、水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）、大豆（Glycine max）、杨树（Populus tremula）、菠菜（Spinacia oleracea）等植物中陆续被证实报道，主要参与调控植物花序结构、叶片形态、气孔发育，影响植株光合作用和蒸腾效率，增加生物量，改良植物抗逆性8。前期以小麦 TaER 基因为探针，扫描高粱全基因组信息，分析并克隆到高粱 ER 家族基因SbER10_X1。初步分析显示，SbER10_X1基因在细胞膜和叶绿体中行使功能，仅在少数高粱品种中具有丰富的转录水平，这些品种大多分布在高海拔、光照充足、水热资源丰富的地区，且 SbER10_X1表达水平与高粱单株生物量呈显著正相关9。这些结果暗示 SbER10_X1在高粱生长发育中可能具有重要的调控作用。为了进一步分析 SbER10_X1调控高粱生长发育和生物量的功能特点，本研究以转基因高粱为材料，在确定高粱转基因株系阳性率的基础上，分别鉴定目标基因 SbER10_X1在过表达株系（SbERex）、沉默株系（SbERin）和对照株系（WT）中的表达水平，并连续两年在玻璃温室种植，调查 SbER10_X1基因过表达和沉默后分别对高粱茎秆细胞大小、茎秆内相关激素含量、光合参数和生物量相关指标的影响，明确 SbER10_X1调控饲用高粱生长发育的功能特点，为利用 SbER10_X1改良饲用高粱生物产量提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料前期在饲草育种与利用重点实验室分离 SbER10_X1 基因，分别构建 pRRes14-SbER10_X1 过表达载体和LH-FAD2-sber10_x1沉默载体，2个载体的启动子均为 Ubi，利用基因枪转化受体高粱品种 Tx430幼胚，连续筛选3 代，获得 SbER10_X1 基因的过表达株系 SbERex 和目标基因沉默株系 SbERin。2020 和 2021 年 5 月，连续两年在安徽科技学院（11733 E，3252 N，海拔 43 m）玻璃温室种植，温度 2227，湿度 50%80%，每周浇 2次水。每个株系种植 3行，在拔节期随机选择单株挂牌。每个单株剪取倒三叶，用锡纸包裹，液氮速冻，置于-80 冰箱保存备用。92第 32 卷第 4 期草业学报 2023 年1.2转基因高粱阳性检测将以上取样叶片研磨，利用 CTAB 法10提取基因组 DNA，PCR 检测，鉴定转基因株系阳性。SbERex株系阳性检测引物为 SbER1-2TF：CAGCTGTGGACTGAT