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玉米是我国主要的粮食作物之一,合理使用除草剂是粮食安全的重要保障。异丙甲草胺是一种玉米田广泛使用的氯代酰胺类除草剂,在一定的环境条件下容易对敏感的玉米品种产生药害,造成减产。谷胱甘肽硫转移酶(GSTs)是一种重要的解毒酶,已有研究表明,GSTs在植物体内参与对多种异源化合物的代谢。本研究以相对敏感和耐药的玉米品种为研究对象,从代谢水平和抗氧化水平研究了玉米品种间、组织间对异丙甲草胺敏感性的差异机理,并将在两个品种间差异表达的GST34基因分别转到原核和真核生物体内,对该基因相关功能研究,结果将有助于玉米耐药性遗传育种和对除草剂在植物体内代谢的认识。主要研究结果如下:1.不同玉米品种对异丙甲草胺敏感性差异采用盆栽法筛选出两个对异丙甲草胺敏感性差异为4.1倍的玉米品种农大86(耐药品种)和郑单958(敏感品种)。叶片微量点滴法检测玉米幼苗(二叶期)对异丙甲草胺的代谢速率,结果表明农大86对异丙甲草胺的代谢速率显著高于郑单958。增效实验表明GSTs抑制剂ETA可以增加异丙甲草胺对两个玉米品种的毒性,且两个品种间的代谢速率差异可以被ETA消除,说明两个品种对异丙甲草胺的代谢差异与GSTs酶系有重要关系。实时荧光定量PCR对异丙甲草胺处理前后GSTs家族的表达谱分析结果表明,异丙甲草胺处理前两个品种有一半的基因表达水平无差异、7个在农大86中显著性高水平表达、9个在郑单958中显著性高水平表达。异丙甲草胺处理后郑单958中GSTs表达水平表现为下调,而农大86中表达水平则相对稳定甚至有上调趋势,导致药剂处理后农大86中多数GSTs成员的表达水平高于郑单958。GSTs酶活性测定结果与基因表达结果趋势一致。2.不同玉米组织对异丙甲草胺敏感性差异郑单958不同组织生测结果表明根组织对异丙甲草胺的耐药性水平是地上部的5倍以上。增效实验显示,ETA可以显著地增加根组织对异丙甲草胺的敏感性,减小根与地上部组织的敏感性差异。荧光定量PCR检测玉米根和地上部组织GSTs家族表达水平,结果表明根组织中大部分GSTs的表达水平是地上部的5-10倍,部分基因达到100倍以上,而GST10、GST24、GST33的表达水平低于地上部分。GSTs酶活性测定结果显示根组织GSTs活性约为地上部的8倍左右,与基因表达结果基本一致。3.GST34基因的表达特征与异源表达荧光定量PCR表明GST34在农大86二叶期的叶片中表达,在郑单958叶片中却没有表达。进一步对GST34的表达特征研究发现,该基因在玉米二叶期的表达随生长发育而快速上调。但是外源化合物氯代酰胺类除草剂、植物激素对GST34的表达没有显著性影响。构建pET-26b(+)/GST34原核表达载体,在大肠杆菌中成功表达,GST34的表达产物对氯代酰胺类除草剂(甲草胺除外)、阿特拉津、烟嘧磺隆均具有一定的代谢活性。构建PCAMBIA1304/GST34真核表达载体,在拟南芥中成功表达,生测实验表明,与野生型拟南芥相比,转基因植株对氯代酰胺类除草剂耐药性均有提高(包括甲草胺)。4.异丙甲草胺敏感性差异玉米品种的抗氧化系统比较对农大86和郑单958抗氧化系统的对比分析发现,异丙甲草胺处理对两个品种间抗氧化酶系统中的SOD、CAT、POD酶活性无显著影响,且两个品种间无显著性的差异;郑单958中抗氧化非酶系统在药剂处理后抗氧化非酶物质类黄酮和总抗氧化能力均比农大86高;药剂处理后不同时间点MDA含量测定结果表明,药剂处理未引起氧化损伤。对抗氧化非酶系统的研究还发现抗氧化非酶物质花青素在农大86中的含量高于郑单958,同时异丙甲草胺处理后花青素含量在两个品种间均显著降低。荧光定量PCR检测花青素合成途径基因的表达水平,发现PAL、CHS、DFR、AND、F3’H、BZ2基因表达的下调可能是花青素含量降低的原因,而三个控制花青素合成的关键基因(DFR、ANS、BZ2)的表达差异可能是导致药剂处理后农大86花青素含量高于郑单958的原因。