全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(12): 2126−2133　 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 河南省科技厅项目(0623011600); 国家“十一五”科技支撑计划重大项目(2006BAD02A07-4)
作者简介: 李永春(1971−), 男, 山西离石人, 博士, 副教授, 主要从事小麦功能基因组学及分子育种研究。
*
通讯作者(Corresponding author): 尹钧, 博士, 教授, 从事小麦栽培生理与生物技术研究。E-mail: junyin57@yahoo.com.cn;
xmzxyj@126.com
Received(收稿日期): 2008-04-21; Accepted(接受日期): 2008-07-15.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.02126
水分胁迫条件下“洛旱 2号”小麦根系的基因表达谱
李永春 1 孟凡荣 2 王 潇 1 陈 雷 1 任江萍 1 牛洪斌 1 李 磊 1
尹 钧 1,*
(1 河南农业大学国家小麦工程技术研究中心, 河南郑州 450002; 2 河南农业大学生命科学学院, 河南郑州 450002)
摘 要: 为探讨小麦水分胁迫反应的分子调控机制, 以抗旱小麦品种“洛旱 2号”根系为材料, 采用 Affymetrix小麦基
因芯片比较了 20% PEG6000溶液处理后根系及对照的基因表达谱。结果表明, 洛旱 2号根系中受水分胁迫诱导而上
调和下调表达的基因分别有 3 743个(4 074个探针组)和 4 573个(5 043个探针组), 下调表达的基因远远多于上调表
达的基因, 其中上调 2倍以上的 1 593个(1 716个探针组), 下调 2倍以上的 2 238个(2 451个探针组)。通过 Affymetrix
的 NetAffx Analysis Center查询和 NCBI的 BLASTx分析, 差异表达 2倍以上的基因中有 619个已注释了功能, 利用
MIPS 数据库将注释基因分为 10 类, 包括生物代谢、逆境胁迫反应、细胞组分生成、蛋白合成、细胞信号交流、细
胞运输、转录相关、细胞分裂和蛋白质加工等。差异表达16倍以上的基因中有32个已注释了功能, 其中与逆境胁迫
反应相关的基因 16个, 与生物代谢相关的基因 5个。利用实时定量 RT-PCR对 8个代表性候选基因在水分胁迫条件
下的差异表达特性分析表明, 其结果和芯片杂交分析的结果基本一致。
关键词: 水分胁迫; 洛旱 2号; 基因差异表达谱; 实时定量 RT-PCR; 基因芯片
Gene Expression Profiling in Roots of Wheat Cultivar “Luohan 2” under
Water Stress
LI Yong-Chun1, MENG Fan-Rong2, WANG Xiao1, CHEN Lei1, REN Jiang-Ping1, NIU Hong-Bin1,
LI Lei1, and YIN Jun1,*
(1 National Engineering Research Center for Wheat, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan; 2 College of Life Science, Henan
Agricultural University, Zhengzhou 450002, Henan, China)
Abstract: High-through microarray technology is a powerful tool for analyzing gene expression profiles of plants exposed to
abiotic stresses. To investigate the molecular mechanisms of water-stress response in wheat (Triticum aestivum L.), the transcript
profiles in 20% PEG6000 treated roots and control roots of a wheat cultivar “Luohan 2” were comparatively studied using the
Affymetrix wheat GeneChip. Analysis of the microarray data showed that there were 3 743 genes (4 074 probe sets) induced and
4 573 genes (5 043 probe sets) repressed in roots under water-stress. Generally, the down-regulated genes were greater in quantity
than up-regulated genes. Among these differentially expressed genes, 1 593 and 2 238 genes (1 716 and 2 451 probe sets) were
up- and down-regulated exceeding 2 folds, respectively. Through the sourcing annotations directly from Affymetrix website
(www.affymetrix.com/analysis/) in tandem with BLASTx analyzing using the Affymetrix probe set sequences, 619 candidate
genes were annotated. The functional classification of annotated genes were performed based on literature searches of the func-
tional categories described in the MIPS database and the 619 annotated genes were classified into 10 functional categories, in-
volving in metabolism, stress response, biogenesis of cellular components, protein synthesis, cellular communication, cellular
第 12期 李永春等: 水分胁迫条件下“洛旱 2号”小麦根系的基因表达谱 2127


transport, transcription, cell division, protein processing, and others. Thirty-two up- or down-regulated genes with over 16-fold
change ratios were annotated. A half of them belonged to the stress response category, and another five were associated with me-
tabolism. In addition, the differential expression patterns of eight representative candidate genes were confirmed by real-time
quantitative RT-PCR and the results showed that the expression changes of these candidates were generally consistent with the
microarray results detected by Affymetrix GeneChip.
Keywords: Water stress; Luohan 2; Gene differential expression profile; Real-time quantitative RT-PCR; Gene chip
干旱是限制小麦持续高产稳产的重要逆境因子
之一, 改良小麦的抗旱性是应对小麦生产中干旱威
胁的主要途径。近年来, 随着植物生物技术, 特别是
基于基因芯片的高通量差异表达分析技术的迅速发
展, 植物在水分胁迫条件下的基因表达谱研究取得
了新的进展[1-2], 这对于阐明植物水分胁迫反应的分
子调控机制、发掘抗旱相关基因及开展抗旱分子育
种具有重要意义。
目前, 关于水分胁迫条件下植物基因表达谱的
分析主要集中在拟南芥和水稻等模式植物上 [1], 而
以小麦为材料的相关研究较少。王转等[3]和庞晓斌
等 [4]采用抑制差减杂交(suppression subtractive hy-
bridization, SSH)技术分析了水分胁迫条件下小麦叶
片的基因表达谱, 许州达等 [5]利用水稻的基因芯片
分析了小麦整株幼苗的基因表达谱。本研究利用
Affymetrix 小麦基因芯片分析了水分胁迫条件下“洛
旱 2号”小麦根系中的基因表达谱, 获得了一批与小
麦根系水分胁迫反应相关的候选基因, 为进一步探
讨“洛旱 2号”小麦的抗旱分子机制积累了资料。
1 材料与方法
1.1 材料及水分胁迫处理
将洛旱 2 号健康种子在人工气候箱中用自来水
培养至两叶一心期, 箱内温度为 26℃, 相对湿度为
70%~78%, 每天光照 14 h, 光照强度为 16 μmol m−2
s−1。选取生长发育一致的幼苗 20~25株置培养皿中,
用 20% 聚乙二醇(PEG6000) 15 mL处理 6 h, 然后用
自来水迅速冲洗根系, 并用力甩干根系间多于水分,
迅速剪取根系用液氮冷冻; 每个处理设 3 个重复,
以自来水培养 6 h 的根系为对照; 将液氮速冻的样
品保存于−80℃备用。
1.2 RNA抽提和探针合成
利用 TRIzol(美国 Invitrogen公司)方法提取各材
料的总 RNA, 并采用 RNeasy Mini Kit (德国 Qiagen
公司)纯化总 RNA, 利用 One-cycle cDNA Synthesis
Kit (美国 Affymetrix 公司)合成 ds cDNA, 并用
GeneChip Sample Cleanup Module (美国 Affymetrix
公司)纯化该 cDNA。然后按照 GeneChip IVT La-
beling Kit说明书制备生物素标记的 cRNA, 于 94℃
保温 35 min后进行片段化处理, 并作为杂交探针用
于基因芯片分析。
1.3 芯片杂交及数据分析
采用 Affymetrix 公司的小麦基因组芯片, 其中
含有代表 55 052 个小麦转录本的 61 127 个探针组
(http://www.affymetrix.com)。
首先, 用检测芯片(test chip)检测片段化 cRNA
的质量; 然后取适量 cRNA与实验芯片(experimental
chip)杂交 , 按照实验流程进行洗涤、扫描后 , 用
Affymetrix Microarray Suite 5.0软件对杂交图像进行
分析, 并对数据均一化。按照芯片上杂交信号的强
弱将基因的表达情况分为表达、模糊表达和不表达
3种类型, 并对 2张芯片的杂交数据进行比较, 以来
源于非 PEG 胁迫处理根系(对照)的数据为参照, 计
算 PEG胁迫 6 h后小麦根系中基因表达量与对照根
系中基因表达量的比值。用于芯片杂交中评估杂交
的效率内标基因包括 BioB、BioC、BioD和 Cre, 其
中前三者是体外转录途径中参与生物素合成的外标
基因, Cre是来源于 P1抗生素的重组基因。
1.4 基因注释和功能分类
通过 Affymetrix 的 NetAffx Analysis Center
(http://www.affymetrix.com/analysis/index.affx) 查 询
和 NCBI 的 BLASTx 分析, 对差异表达基因进行功
能注释 , 并通过 MIPS 数据库 (http://mips.gsf.de/
projects/funcat)[6]检索将候选基因按照功能分类。
1.5 实时定量 RT-PCR分析
在已注释的差异表达基因中, 选取表达改变倍
数在 2~3、3~5、5~8和 8~20倍之间的候选基因各 2
个, 并依据其芯片上探针组对应的代表性序列设计
特异性引物(表 1), 进行实时定量 RT-PCR 分析, 内
标 基 因 为 Ubiquitin (GenBank accession No.
AY297059), 3次重复, 按照 Li等[7]的 PCR反应体系
及程序进行。
2128 作 物 学 报 第 34卷

表 1 用于实时定量 RT-PCR分析的引物
Table 1 Primers used in Real time quantitative RT-PCR analysis
基因
Gene
探针组
Probe set
引物序列
Primer sequence (5′–3′)
PCR产物
Product size (bp)
Sbe1A Ta.39.2.S1_at AGGAGAAAGCGGAAAAGCC; CCAGAAGTCGCCTCACCAT 122
LOC543277 Ta.24332.1.S1_at CAAGCCAAACCAAAGCAAAC; GGGACGATGGAACGGAAG 113
WABI5 Ta.19597.1.S1_s_at AACCAATGCCGTACTCGTTC; AGCACTGCCGCTTCTTCC 285
Wrab18 Ta.28605.1.S1_at CGGCGACAACACCAACAC; AACGACCAAACGAGTAAAGGAA 115
NAC69-3 Ta.11117.1.A1_at TCCATCCGTTCCTCAGCC; GCAAGCTAGATCCCTGCCTAT 139
hsp70A Ta.10259.1.S1_at GCTAGCCGAGGCTGAAGAGT; CATGCCACCAGGCATTTCA 112
CBF14 Ta.25843.1.A1_at GCTACTTGTTCGACTAAAGCAGTTA; TGAACGAGCACATACGGACATA 125
wali1 Ta.28629.1.S1_x_at TTTTGGGTTCATCAGATTTGGA; CCCCGCCTTGTTCTCAGG 171
Ubiquitin GB: AY297059 ATCCAGGACAAGGAGGGCA; CGGAGACGGAGCACCAAG 134

2 结果与分析
2.1 小麦芯片杂交质量的评估
对杂交后小麦基因芯片的扫描分析显示, 所进
行的芯片杂交质量较高 , 每张芯片的四角点阵和
“wheat”标志清晰 , 且四周边界点线均匀一致 (图
1-A), 芯片中间的“+” 符号也清晰可见(图 1-B); 从
两张芯片杂交分析的质控数据可见, 对照组和胁迫
处理组芯片的背景值和噪音值都表现均匀, 外加的
阳性对照 BIOC、BIOB 和 BIOD 均能检测到, 且信
号值(3′/5′)均小于 3 (表 2), 说明两组芯片杂交和检测
的质量较高, 结果可靠。

图 1 小麦根系基因芯片杂交结果
Fig. 1 Profile of hybridized genechip of wheat roots
A: 芯片一角及“wheat”字样; B: 用于芯片质量控制的“+”符号;
C: 芯片杂交结果(局部)。
A: a corner of genechip and marker “wheat”; B: marker “+” for
quanlity control of hybridization; C: a section of hybridized
genechip profile.

表 2 小麦芯片杂交中的外标基因检测值
Table 2 The detection values of quality assessment of spike control genes in wheat Genechip hybridization
探针 a
Probe set a
信号值(5′)
Sig (5′)
表达检测(5′)
Det (5′)
信号值(M)
Sig (M)
表达检测(M)
Det (M)
信号值(3)
Sig (3)
表达检测(3′)
Det (3′)
信号值(all)
Sig (all)
信号值(3′/5′)
Sig (3′/5′)
CK-AFFX-BioB 165.5 P 201.1 P 125.3 P 163.96 0.76
CK-AFFX-BioC 383.6 P 540.4 P 462.02 1.41
CK-AFFX-BioD 1042.3 P 1952.1 P 1497.18 1.87
CK-AFFX-Cre 6513.7 P 8244.4 P 7379.03 1.27
WS-AFFX-BioB 178.1 P 248.1 P 192.4 P 206.19 1.08
WS-AFFX-BioC 526.7 P 685.3 P 605.98 1.30
WS-AFFX-BioD 1208.4 P 2441.5 P 1824.96 2.02
WS-AFFX-Cre 7511.0 P 9119.3 P 8315.13 1.21
a CK: 对照根系; WS: 水分胁迫后的根系; BioB、BioC、BioD和 Cre是用于芯片杂交中评估杂交的效率的外标基因。P: 表示基
因表达。信号值分别按照外标基因的 5′、中间(M)和 3′端区域对应的探针对列出, 信号值(all)指所有探针组信号值的平均值。
a CK: the unstressed roots; WS: the water-stressed roots; BioB, BioC, BioD and Cre are spike control genes. P: expressed gene. Sepa-
rate signal and all data are listed for the probe pairs specific to the 5, middle (M), and 3 regions of the control transcripts. Sig (all) is the
average signal for all control probe sets.

2.2 水分胁迫下小麦根系中的基因差异表达分析
在水分胁迫 6 h 条件下, 洛旱 2 号根系中有
25 289个基因(26 702个探针组)表达(P), 891个基因
(899个探针组)模糊表达(M); 而在对照根系中, 有
24 949个基因(27 962 探针组)表达(P), 864个基因
(925个探针组)模糊表达(M)。2张芯片杂交结果比较
分析(图 2)表明, 水分胁迫后上调表达的基因有 3 743
个(4 074个探针组), 其中上调 2 倍以上的 1 593个
(1 716个探针组); 下调表达的基因有 4 573个(5 043
个探针组), 其中下调 2倍以上的 2 238个(2 451个探
针组)。总体来看, 水分胁迫后下调表达基因的数量
远远多于上调表达的基因数量。
第 12期 李永春等: 水分胁迫条件下“洛旱 2号”小麦根系的基因表达谱 2129



图 2 水分胁迫条件下洛旱 2号小麦根系和对照的基因表达情况比较散点图
Fig. 2 Scatter plot comparisons of microarray gene expression in roots of drought-stressed “Luohan 2”and control plants
位于中线(a)上方和下方的基因表达改变倍数线分别表示上调(正值)和下调(负值)表达 2、3、10和 30倍。
The fold change lines upon and down the middle line (a) represent up-regulated (positive value) and down-regulated (negative value) genes
with change fold of 2, 3, 10, and 30, respectively.

按照水分胁迫后基因表达量的变化倍数, 可将
差异表达分为表达变化 2~4、4~8、8~16、16~32、
32~64和 64倍以上共 6类(图 3)。大部分差异表达基

图 3 小麦水分胁迫诱导的基因差异表达特性
Fig. 3 Characteristics at different transcription levels under
water stress in wheat
因都集中在表达改变 2~4 倍的区域, 上调和下调表
达的基因各有 1 164和 1 641个, 占所有上调和下调
2 倍以上基因总数的比例均为 73%; 除表达变化倍
数在 32~64 倍之间的基因外, 其余各类型中均是下
调表达的基因数量多于上调表达的基因数量; 随着
候选基因表达变化倍数的递增, 基因数量逐渐减少,
表达改变在 64 倍以上的基因只有 35 个, 其中上调
表达 16个, 下调表达 19个。
2.3 差异表达基因的功能分类
经 Affymetrix的 NetAffx Analysis Center查询和
NCBI 的 BLASTx 分析发现, 上调表达 2 倍以上的
1 593个基因中有 265个已被注释, 下调表达 2倍以
上的 2 238个基因中有 354个被注释。将这些经过注
释的差异表达基因按照其生物学功能分为 10类(表 4),
比较各类型中基因的数量发现 , 已注释的候选

表 4 水分胁迫条件下差异表达基因的功能分类
Table 4 Functional classification of differentially expressed genes under water-stress
功能类别
Functional category
上调表达基因
Up-regulated genes
下调表达基因
Down-regulated genes
百分比
Percentage(%)
生物代谢 Metabolism 51 64 18.58
逆境胁迫反应 Stress response 66 40 17.12
细胞组分生成 Biogenesis of cellular component 45 37 13.25
蛋白合成 Protein synthesis 14 49 10.18
细胞信号交流 Cellular communication 14 35 7.92
细胞运输 Cellular transport 24 23 7.59
转录相关 Transcription 12 28 6.46
细胞分裂 Cell division 5 20 4.04
蛋白质加工 Protein processing 4 12 2.58
其他 Others 30 46 12.28
表中的百分比指各功能类别中上调和下调表达基因占全部被注释基因数(619)的比例。
Percentages in the table are the proportions of up- and down-regulated genes to the total 619 annotated genes.

2130 作 物 学 报 第 34卷

基因中与生物代谢、逆境胁迫、细胞组分生成及蛋
白合成相关的基因占了绝大多数, 分别占所有注释
基因总数的 18.58%、17.12%、13.25%和 10.18%。从
上调表达和下调表达的基因数量来看, 与逆境胁迫
反应和细胞组分生成相关的两类基因中, 上调表达
的基因数量要多于下调表达的基因数量; 而其余各
功能类型中, 均为下调表达基因的数量多于上调表
达的数量。
在差异表达的候选基因中, 有 32个候选基因经
过功能注释且水分胁迫条件下表达量变化在 16倍
以上(表 5)。在这些表达变化倍数较高的基因中, 逆
境胁迫反应类基因最多(16个), 其编码蛋白包括脱

表 5 洛旱 2号小麦根系中受水分胁迫诱导而表达变化 16倍以上的基因
Table 5 Candidate genes responded to water-stress with the expression change ratio more than 16 in the roots of Luohan 2
信号值 Scaling signal 探针组号
Probe set ID
代表序列
Represent
sequence ID
功能描述
Functional description 对照
Control
处理
Treatment
表达变化
倍数
Change ratio
P值
P-value
逆境胁迫反应 Stress response
Ta.13255.1.S1_at CK163939 Dehydrin WZY1-1 2.5 1184.6 256.0 2.00×10−5
TaAffx.46097.1.S1_at CD900463 Dehydrin 2.7 150.7 52.0 2.00×10−5
TaAffx.46097.2.S1_at BQ806472 Rab protein 1.9 134.3 48.5 2.00×10−5
Ta.5685.1.S1_at CD913614 group 3 LEA protein 0.3 25.9 45.3 1.14×10−4
Ta.13183.1.S1_x_at AB097412.1 Cold regulated protein 33.0 836.3 34.3 2.00×10−5
Ta.2638.1.S1_at X62476.1 rab protein 10.1 467.6 34.3 2.00×10−5
TaAffx.128555.1.S1_at CK163818 Rab protein 31.9 1230.4 34.3 2.00×10−5
Ta.23659.1.S1_at AY148491.1 LEA2 protein 29.4 604.9 29.9 2.00×10−5
Ta.226.1.S1_at AF139915.1 Cold-responsive LEA 34.3 1881.3 27.9 2.00×10−5
Ta.26049.1.S1_a_at CD454952 Dehydrin (LEA) protein 14.7 276.5 18.4 2.00×10−5
Ta.2704.1.S1_at X59133.1 rab protein 20.1 312.4 18.4 2.00×10−5
Ta.28605.1.S1_at AB115914.1 ABA inducible protein 67.2 1175.1 17.1 2.00×10−5
Ta.123.1.S1_x_at U73212.1 Cold acclimation protein 46.3 528.2 16.0 2.00×10−5
Ta.10360.1.S1_at BJ244996 Wound induced protein 419.8 16.2 −22.6 1.00
Ta.22545.2.S1_x_at CA634815 Peroxidase 18.4 0.8 −26.0 1.00
Ta.6645.1.A1_at BJ251771 HSP80-2 protein 27.4 0.9 −32.0 1.00

代谢相关 Metabolism
Ta.28273.1.S1_x_at BQ483998 O-acetylserine (thiol) lyase 63.8 1954.3 39.4 2.00×10−5
Ta.9809.1.A1_at BQ236808 Fructan exohydrolase 0.6 24.4 29.9 1.49×10−3
Ta.24158.1.S1_a_at BE515946 Photosystem II polypeptide 11.4 336.7 22.6 3.00×10−5
Ta.28369.1.S1_at CA727825 O-acetylserine (thiol) lyase 65.4 1183.7 18.4 2.00×10−5
Ta.23066.1.S1_s_at CA619868 Beta-D-glucan exohydrolase 335.9 12.7 −21.1 1.00

细胞组分生成 Biogenesis of cellular component
Ta.22673.1.S1_s_at M21962.1 germin protein precursor 58.8 1234.1 18.4 2.00×10−5

细胞信号交流 Cellular communication
Ta.19279.1.S1_at CA649524 Cdpk1 protein 0.3 26.1 42.2 1.67×10−4
Ta.26471.1.A1_at CD490964 Diacylglycerol kinase like protein 0.3 9.0 27.9 1.34×10−3

细胞运输 Cellular transport
Ta.6041.2.A1_x_at BJ294973 Mechanosensitive ion channel family protein 1.2 37.0 48.5 6.92×10−4
蛋白合成 Protein synthesis
Ta.30739.1.A1_at CN009926 Translation elongation factor 1 alpha-subunit 1.5 87.1 16.0 2.70×10−5
Ta.13160.2.S1_x_at CA635509 Ribosomal protein L3 9.1 2.8 −16.0 1.00
Ta.23810.3.S1_x_at CA634540 Ribosomal protein L39 25.3 1.3 −21.1 1.00

转录相关 Transcription
Ta.27343.1.S1_at BJ275567 Cold shock domain protein 3 0.5 29.2 34.3 8.65×10−4
Ta.21124.1.S1_x_at CA614326 Ethylene-responsive element binding protein 117.8 4.7 −34.3 1.00
TaAffx.43752.1.A1_at CK214542 CBFIIIc-D3 53.9 0.8 −55.7 1.00

其他 Others
Ta.6111.1.S1_at AJ603054 Pre-alpha-/beta-gliadin A-II 21.3 360.7 17.1 2.00×10−5
表达变化倍数为负值时表示下调表达。当 P<0.0025时, 说明候选基因为上调表达; 当 P>0.998时, 说明候选基因为下调表达。
Ratios with a negative sign indicate down-regulated expression. Genes are up-regulated when P<0.0025, and down-regulated when P>0.998.
第 12期 李永春等: 水分胁迫条件下“洛旱 2号”小麦根系的基因表达谱 2131


水保护蛋白、冷诱导蛋白、ABA响应蛋白、伤诱导
蛋白、过氧化物酶和热激蛋白等, 而且这类基因中除
3 个基因外全部为水分胁迫诱导而上调表达; 与生物
代谢相关的基因有 5个, 其编码蛋白包括 2个 O-乙酰
丝氨酸裂解酶、果聚糖外水解酶、光系统 II多肽、和
β-D-葡聚糖外水解酶; 其余各功能类型中表达变化
16倍以上的基因都较少。
2.4 差异表达基因的实时定量 RT-PCR分析
通过实时荧光定量RT-PCR技术, 比较分析了 8
个候选基因在水分胁迫 6 h根系及对照中的表达量。
结果表明, 所检测 8 个候选基因的表达量改变倍数和
芯片杂交中获得的表达改变倍数均基本一致(图 4),
说明本研究中利用芯片杂交分析获得的水分胁迫反
应基因表达谱信息具有较高的可靠性。

图 4 8个候选基因的实时定量 RT-PCR分析
Fig. 4 Analysis of the expression changes of eight candidate genes by real-time quantitative RT-PCR
芯片杂交分析中获得的基因表达改变倍数标注在括号中, 负数表示下调表达。
The change ratios for each of the transcripts investigated using microarray are indicated in the bracket and the negative number indicates the
down-regulation.

3 讨论
在干旱条件下, 植物会启动一系列适应和抵抗
水分胁迫的调节机制[8-9]。参与水分胁迫反应的分子
调控过程包括植物细胞对胁迫信号的感知、传递、
第二信使激活相关的转录因子、转录因子与顺式元
件相互作用诱导基因的表达、表达产物直接作为功
能蛋白保护细胞免受水分胁迫的影响或作为转录因
子进一步启动另外一些基因的表达, 最终实现植物
对逆境胁迫的适应或产生抗性[10-11]。在植物水分胁
迫反应过程中 , 根系是最先感知胁迫信号的器官 ,
这是本研究中采用小麦根系为研究材料的主要原
因。通过对小麦品种“洛旱 2号”根系在水分胁迫条
件下的基因表达谱分析发现, 受水分胁迫诱导而下
调表达的基因数量显著多于上调表达的数量(图 3),
这与 Wang等[12]在烟草中的研究结果相一致。但是,
许州达等[5]和Micheletto等[2]分别在小麦和大豆中的
研究结果却显示, 水分胁迫诱导的差异表达基因主
要为上调表达, 这可能与各研究中所采用的基因芯
片类型和植物材料不同有关。许州达等[5]采用水稻
基因芯片, 分析的是小麦整株幼苗的基因表达谱变
化; 本研究采用小麦的基因芯片, 分析的是小麦根
系的基因表达谱变化。Micheletto等[2]采用 cDNA芯
片, 其中仅包含约 5 200个 cDNA序列的信息, 这和
Affymetrix小麦基因芯片中包含的代表 55 052个小麦
转录本的 61 127个探针组相比要少很多, 而且小麦
和大豆 2 个品种间的水分胁迫反应分子调控机制也
可能存在较大的差异。
LEA(late embryogenesis abundant)蛋白是高等
植物细胞中普遍存在的一类具有高度热稳定性和亲
水性的保护蛋白, 在干旱等逆境胁迫条件下能够增
强细胞膜和许多生物大分子的稳定性, 是植物抵御
干旱、盐渍、寒冷等逆境胁迫的重要功能蛋白[13], 大
麦的 LEA基因 HVA1在水稻中过量表达后显著增强
2132 作 物 学 报 第 34卷

了转基因水稻的抗旱性[14]。本研究也发现, 在差异
表达 16倍以上的 32个基因中有 6个编码 LEA蛋白
(表 5), 我们已克隆其中的一个基因 TaLEA4[15], 并
获得了转该基因的抗旱小麦材料(未发表数据)。在植
物水分胁迫反应的基因调控网络中 , 存在着依赖
ABA和不依赖ABA的 2条调控途径, 而且在水分胁
迫、冷胁迫和伤诱导的胁迫之间存在某些交叉对话
现象[1], 本研究中也发现一些 ABA 响应蛋白、冷胁
迫诱导蛋白及伤诱导蛋白等受水分胁迫的诱导而上
调或下调表达, 可见这些蛋白参与了多个逆境胁迫
反应的调控过程。
小麦在干旱条件下, 光合作用会受到明显的抑
制[16], 许州达等[5]也发现编码光系统 II多肽的基因在
小麦幼苗中受水分胁迫的诱导而下调表达, 但本研究
却发现, 一个编码光系统 II多肽的基因在小麦根系中
受水分胁迫的诱导而上调表达 22.6倍。该基因在叶片
中的表达情况及其在根系中的上调表达是否与“洛旱 2
号”小麦的抗旱性有关, 尚需进一步研究, 以明确该类
蛋白在小麦水分胁迫反应过程中的生物学功能。
植物对水分胁迫反应的调控是一个非常复杂的
系统, 涉及到多个层次和多条途径。由于对小麦功
能基因组的研究还非常有限, 大部分基因的功能仍
然处于未知状态[17]。本研究中获得 3 831个差异表达
基因, 只有 619个注释了功能。随着植物功能基因组
学的快速发展和国际基因组数据库的不断丰富, 这
些目前功能未知的基因将会不断被注释, 为更全面
认识小麦的水分胁迫反应调控机制提供重要信息。
本课题组将在已获得受水分胁迫诱导而差异表达的
候选基因的基础上, 进一步分析这些基因在小麦水
分胁迫过程中的表达特性, 并通过转基因技术探讨
它们在小麦抗旱分子育种中的应用价值。
4 结论
利用基因芯片技术初步分析了“洛旱 2 号”小麦
根系中受水分胁迫诱导的基因表达谱, 筛选到一批
水分胁迫响应基因, 涉及到生物代谢、逆境胁迫反
应、细胞组分生成、蛋白合成、细胞信号交流、细
胞运输、转录相关、细胞分裂和蛋白质加工等多个
功能基因群, 为克隆抗旱基因及开展抗旱分子育种
提供了有用信息, 也为进一步探讨小麦水分胁迫反
应的分子调控机制积累了重要资料。
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