覆盖在植物表皮上的蜡质,是植物与外界环境的保护屏障,其主要的成分是超长脂肪酸的衍生物,参与植物的多种生理活动。KCS基因编码β-酮脂酰CoA合成酶,该酶具有底物特异性,参与超长链脂肪酸延伸的缩合反应,是超长链脂肪酸合成的限速步骤,在蜡质的前体物质的合成上起关键作用。为了了解小麦KCS基因在小麦表皮蜡质合成中的作用,本项目利用气相色谱测定了两个普通小麦材料的3个不同组织的蜡质成分与含量。通过3个不同时期组织的转录组测序结果,结合生物信息学手段,分析小麦的TaKCS基因。利用中国春的cDNA,克隆得到了TaKCS1、TaKCS2、TaKCS3与TaKCS4共四个KCS基因,通过酵母表达,初步鉴定了这些基因的功能。进一步分析各基因的表达特征,并通过转入番茄品种“Micro Tom”中,鉴定TaKCS4基因的过表达对植物表皮蜡质的影响。主要的研究结果如下:1.通过对W87材料与中国春的苗期叶片、抽穗期旗叶以及开花前期颖壳的蜡质分析,发现相对于中国春,W87为高蜡质含量的小麦材料。在苗期,二者的叶片表皮蜡质差异较小,初级醇占主导地位,未能检测到二酮。随着生育期的延长,初级醇的相对含量减少,烷烃积累量增加。开花前期的小麦颖壳中,二酮含量占主要地位,其次为烷烃,然后为初级醇。其中,W87颖壳的二酮含量显著高于中国春颖壳中的含量,烷烃与初级醇的含量则相反。随着生育期的推进,叶片表皮蜡质的优势碳链物质由C28转变为C28与C30,而在颖壳中则为C30与C32。2.通过转录组测序,在小麦中,筛选了若干二酮合成的候选基因与93个KCS基因。众多的KCS基因在不同的组织与材料中具有不同的表达模式,与各时期不同组织的优势碳链物质变化相吻合。同时,我们克隆了四个TaKCS基因,然后对这些基因进行了染色体定位、氨基酸一级序列分析、跨膜结构域分析、功能结构域分析,并与拟南芥和主要农作物的KCS基因进行了聚类分析与氨基酸序列的比较。在酵母的异源表达产物中,检测到了饱和长链脂肪酸C16:0与C18:0的相对含量的减少、C26:0相对含量的增加以及饱和超长链脂肪酸C28:0的存在。初步证明了这四个基因具有编码合成β-酮脂酰CoA合成酶的功能。3.利用qPCR构建了目的基因的表达谱,包括不同组织、激素处理与非生物胁迫下的相对表达量,发现:在小麦中不同时期的8个组织的总RNA中,TaKCS1在苗期叶片与根中表达量较高;TaKCS2在根与雌蕊中表达量较高,TaKCS3仅在地下组织中表达量较高;而TaKCS4在叶片与生殖器官中表达量较高,在根中最低。进一步的激素处理与非生物胁迫处理下,TaKCS4积极相应ABA、干旱、PEG与低温处理,在较短的时间内,相对表达量迅速增加,随着时间的延长,表达量又逐渐恢复到处理前水平;黑暗处理下,TaKCS4表达量持续减少,说明该基因的启动子区域可能存在与光调控表达的顺式元件。4.亚细胞定位表明,TaKCS4蛋白定位于烟草表皮细胞的内质网上。番茄中的异源超表达TaKCS4基因表明,转基因T0后代的表皮蜡质含量显著增加,其中,烷烃含量增加较多。与空载体相比,转基因植株的叶片表皮蜡质含量增加了2-4倍,直链烷烃、初级醇、脂肪酸以及支链烷烃等成分也同步增加。其中,直链烷烃的增加量较大,C31烷烃与C30初级醇的含量增加显著。