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植物受到环境胁迫时,可以迅速合成并积累不同种类的渗透调节物质来维持植物细胞内正常的生理机能,避免植物受到胁迫伤害,棉子糖系列寡糖(RFOs)即为一种小分子渗透调节物质。正常生长条件下,棉子糖系列寡糖在植物体内积累量相对较少,而受到外界的胁迫时,其含量会迅速增加。肌醇半乳糖苷合成酶(Galactinol synthase,GolS)是棉子糖合成过程中的关键酶,因此,认为其是植物应对环境胁迫的关键基因。木薯作为一种热带亚热带作物,具有耐旱的生理特性,因此研究木薯中肌醇半乳糖苷合成酶的结构与功能,对揭示木薯抗旱机理具有重要意义。本论文采用RT-PCR从木薯基因组中克隆了7个肌醇半乳糖苷合成酶基因MeGolS1一7,通过生物信息学分析、基因表达分析初步鉴定了各个MeGolSs基因与环境胁迫的相关性,发现MeGolS5表达量在干旱胁迫下可以迅速高效地上调表达,在大肠杆菌和拟南芥中过量表达均能提高机体的抗旱能力,进一步研究其亚细胞定位,启动子区作用元件,及对其他逆境因子的胁迫响应,以期解析MeGolS5基因的功能以及在木薯抗旱过程中作用机理。主要研究结果如下：1、利用木薯基因组数据库,通过RT-PCR从华南8号木薯中首次分离得到木薯肌醇半乳糖苷合成酶7个基因MeGolS1一7,登录号分别为：MeGOoS1(KF793045)、 MeGDlS2(KF793046)、MeGolS3(KJ722606)、MeGolS4(KJ722605)、MeGolS5(KJ722604).MeGolS6(KJ722603).MeGolS7(KJ816317).,2、通过保守结构域分析发现,MeGolSs具有保守的KLRIWEFVEY.DxD (MeGolS4中为GGD).YFNAGMFVFE、FAEODFLNMF、YNL、HxxxxGxKPW；其基因结构均具有4个外显子、3个内含子；通过3D蛋白结构同源建模发现,其蛋白结构的中心的DxD保守结构特异性结合Mn2+及肌醇半乳糖苷合成酶反应的底物；表明所克隆的基因为肌醇半乳糖苷合成酶基因。3、通过与拟南芥、杨树等物种中的肌醇半乳糖苷合成酶基因进行进化树分析,发现MeGolS5与已知的与抗旱相关的AtGolS2相似性很高。推测其具有抗旱功能。4.MeGolSs基因在20％PEG6000模拟干旱胁迫下实时荧光定量PCR分析表明,MeGolS3在干旱胁迫处理时下调表达；MeGolS1、MeGlS5能够更明显地响应干旱胁迫,基因表达量大幅度上调；MeGolS5在处理后3h即达到最大值,表明其能更迅速地积极响应干旱胁迫,推测MeGolS5在干旱胁迫下起到重要作用,因而对其进行深入的研究,验证其功能。5、亚细胞定位发现木薯肌醇半乳糖苷合成酶基因MeGolS5定位于质膜上6、将MeGolS5在大肠杆菌中过表达,并在不同浓度PEG6000及甘露醇干旱胁迫下的生长量进行观察发现,重组MeGolS5表达工程菌比空载体菌株更加耐受干旱胁迫。另外对重组MeGolS5表达工程菌的诱导条件进行了优化,结果为：起始浓度OD600=0.4, IPTG浓度为0.2mmol/L,诱导温度为37℃,诱导时间为4h。7、通过农杆菌介导法将MeGolS5基因转入哥伦比亚拟南芥中,利用PCR获得6个不同转基因株系,对其中3个株系进行了RT-PCR鉴定与酶活鉴定。干旱胁迫下的发芽率实验发现转基因拟南芥的发芽率明显高于对照；盆栽苗干旱处理表型观察发现,处理21d的转基因拟南芥仍可正常生长,而野生型拟南芥的叶片卷曲萎蔫,接近死亡,表明转MeGolS5的拟南芥抗旱性更强。qRT-PCR分析发现转基因拟南芥抗旱相关基因(SOD1, POD, APX1, CAT1, CMO和DHAR)的表达量显著高于非转基因拟南芥。推测MeGolS5的表达有助于活性氧的清除,其调控机制可能涉及ROS途径。8、对MeGolS5上游启动子序列进行分析,发现其具有多个ABA响应元件ABRE、与抗旱相关的MYB、MYC、W-Box元件等。对不同激素处理下,MeGolS5基因的qRT-PCR分析发现,该基因在H202和ABA处理时表达量大幅度上调。从而进一步验证了MeGolS5的抗旱功能,且推断其作用机制可能是参与ABA信号传导途径中WRKY转录因子调控下表达,提高植物渗透调节能力,并通过调控ROS途径中基因的表达来清除植物体内活性氧的毒害,进而提高植物的耐旱能力。