全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(9): 1628−1636 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2003CB114308)和国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA10Z191)资助。
*
通讯作者(Corresponding authors): 傅彬英, E-mail: fuby@caas.net.cn; Tel: 010-62136042; 黎志康, E-mail: lizhk@caas.net.cn; Tel: 010-62136040
Received(收稿日期): 2009-03-02; Accepted(接受日期): 2009-04-21.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01628
水稻双组分系统基因干旱胁迫表达谱分析
潘雅姣1 王 迪1 朱苓华1 傅彬英1,* 黎志康1,2,*
1 中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与遗传改良国家重大科学工程, 北京 100081; 2 International Rice Research Insti-
tute, DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines
摘 要: 利用全基因组表达芯片, 系统分析干旱胁迫条件下水稻双组分信号系统(two component system, TCS)相关基
因在其不同发育阶段、不同组织以及抗旱能力不同的株系中的表达谱变化特征。结果表明, 双组分信号系统基因在
干旱胁迫环境下的表达具明显的时空特异性, 表现为不同组织的 TCS 基因干旱胁迫表达谱差异较大, 而同一组织内
表达谱相似, 其中生殖生长期(幼穗分化期和孕穗期)两个叶片材料中 TCS 基因表达谱最为接近; 与细胞分裂素信号
传导负向调控相关的 A型应答调控器在旱胁迫下表达下调, 而与 CK 信号传导正向调控相关的 B 型应答调控器呈现
明显上调趋势, 推测与干旱胁迫下 CK信号传导增强有关, 同时乙烯受体基因在干旱胁迫环境下的表达下调, 从激素
间相互关系的角度更好地印证了上述推测; 与拟南芥细胞分裂素受体基因(AHK2、AHK3和 AHK5)序列相似的磷酸感
应激酶基因 HK5和 HK3 在干旱胁迫下表达上调, 与拟南芥中不依赖细胞分裂素的 AHK5 序列接近的 HK6 则表达下
调, 进一步验证上述推测; 干旱胁迫下抗旱能力不同的水稻株系其 TCS 基因表达谱没有明显差异, 推测 TCS 基因差
异表达可能源于对干旱胁迫反应, 而其表达对抗旱能力的增强还有待进一步研究。
关键词: 双组分信号系统; 干旱胁迫; 表达谱; 水稻
Differential Expression of Rice Two-Component Element Genes under Drought
Stress
PAN Ya-Jiao1, WANG Di1, ZHU Ling-Hua1, FU Bin-Ying1,*, and LI Zhi-Kang1,2,*
1 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement,
Beijing 100081, China; 2 International Rice Research Institute, DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines
Abstract: In order to explore the temporal and spatial expression patterns of two component system (TCS) genes in rice under
drought stress and the relationship between expression of TCS genes and drought resistance, a whole rice genome microarray was
used to profile of the TCS genes in rice different organs at different developmental stages and among different drought tolerant
rice lines under drought stress treatment. Results showed that the expression profiles of the TCS genes in rice were tempo-
ral-spatial specific under drought, indicating differential expression among rice organs and quite similar pattern within the same
tissues at different stages. The type-A response regulator (RR) genes which may act as negative regulator of cytokinin signaling
were mostly repressed by drought, while type-B RR genes which may play a role in positive regulation of cytokinin signaling
were mostly induced by drought, these changes were supposed to be related with the enhancement of CK signaling under drought
stress, this assumption was confirmed by the down regulation of ethylene receptor genes under drought from cross-talk of differ-
ent plant hormones signaling; the His Kinase genes (HK5 and HK3) which are homologous to CK receptor genes (AHK2, AHK3,
and AHK4) in Arabidopsis were induced by drought, while HK6 which is the homolog of AHK5 was drought repressed. There is
no significant difference found among expression patterns of the TCS genes from different drought tolerant lines, showing that the
TCS genes were probably only involved in the drought responsiveness, and their effect to the enhancement of drought resistance
in rice still need further elucidated.
Keywords: Two component signaling components; Drought; Expression profile; Rice
双组分系统(two-component system, TCS)是原
核生物及真核生物细胞响应外界环境刺激的信号系
统。该系统由两部分组成, 包括感受器和反应调节
元件。感受器位于胞质膜上感应外界环境信号, 而
第 9期 潘雅姣等: 水稻双组分系统基因干旱胁迫表达谱分析 1629

调节蛋白位于胞质接受并传递信号以及调节基因的
表达。TCS最初在大肠杆菌氮调节蛋白系统中发现[1],
随后的研究表明, TCS广泛存在于真核生物如酵母、
哺乳动物和高等植物中。在多种植物全基因组序列
分析完成后, 全基因组范围内发掘TCS基因及其功
能研究表明, 高等植物TCS由包括组氨酸蛋白激酶
(histidine kinase, HK)、含有组氨酸的磷酸转移蛋白
(histidine-containing phosphotransfer, HPt)以及反应
调节蛋白(effector response regulator, RR) 3个部分组
成[2]。水稻全基因组序列分析结果发现在基因组中
共有 51个TCS基因, 对应编码 73个TCS相关功能蛋
白, 其中包含 14个HK基因、5个Hpt基因和 32个RR
基因[3]。
双组分系统参与植物激素的信号转导、光形态
建成、生物节律和渗透胁迫反应等一系列复杂的生
物学过程。对拟南芥的TCS基因相关功能研究得较
为详细 , 结果表明 , 3 个HK基因(AHK2、AHK3 和
AHK4)为细胞分裂素受体[4], 两个HK基因(ETR1 和
ERS1)参与乙烯信号传导过程[5]。 拟南芥的A型RR
基因的表达具有明显的组织特异性, 同时受细胞分
裂素诱导上调表达[4,6]; 而B型RR基因则呈结构性表
达, 不受任何外界环境刺激的影响, 同时分子及细
胞生物学研究证据表明其多数呈转录因子功能[7]。 另
有研究表明, AHK1基因参与渗透胁迫反应中的信号
感受及传递过程[8]。
水稻TCS相关基因功能研究起步较晚。Jain等[9]
采用定量PCR的方法系统研究了A型RR基因在不同
器官中、不同外源激素处理以及不同环境胁迫下的
表达情况 , 结果显示大部分RR基因受细胞分裂素
(cytokinin, CK)诱导表达, 同时OsRR6在受到高盐、
缺水及低温胁迫时表达水平明显提高。而OsRR6 基
因的超表达研究发现其在CK的信号传导过程中起负
调控作用, 影响水稻植株的形态建成[10]。采用全基因
组表达谱分析策略研究水稻TCS所有基因在种子发
育不同时期的表达情况, 结果显示少量TCS基因在
胚及胚乳发育过程中特异性调控表达[11]。所有这些
研究结果表明, TCS基因广泛参与水稻发育生长调
控以及应对外界环境变化过程中的信号传导过程 ,
但全面系统地分析TCS基因在水稻应对干旱胁迫的
时空表达情况至今未见报道。本研究采用全基因组
表达谱分析方法, 对水稻抗旱基因导入系的TCS基
因在干旱胁迫环境下的时空表达情况进行详细分析,
试图全面了解不同TCS基因在水稻应对干旱缺水环
境的作用机制。
1 材料与方法
1.1 水稻材料及胁迫处理
以本课题组培育的高世代抗旱回交导入系 DK
系系列 (DK151, DK106, DK135, DK124, DK177,
DK143, DK184, DK98, DK164)及其旱敏感轮回亲本
IR64 为研究材料, 导入系供体亲本为伊朗的粳稻农
家品种 Binam。连续两年田间试验结果表明
(2004—2005年, IRRI), 在正常灌溉条件下 DK系产
量略低于 IR64 (65%~80%); 但在严重干旱胁迫条件
下, IR64几乎绝产(减产 90%以上), 而 DK系产量仍
保持在正常灌溉条件下 30%的产量。
经消毒处理的水稻种子于室温在蒸馏水中萌发
2 d后, 转移至人工气候室苗圃培育, 待水稻苗生长
至四叶期, 移栽至旱棚装满Turface的PVC管中(直径
20 cm, 高 100 cm, 下部离地面 20 cm处留排水孔),
采用 0.5 倍Yoshida营养液[12]和蒸馏水交替浇灌至抽
穗。划分水稻胁迫处理的生育时期参照国际水稻所
0~9 时 期 标 准 (http://www.knowledgebank.irri.
org/growthStages)。所有DK系与IR64 生育期长短基
本一致(105~110 d), 分蘖期处理在播种后 35 d (4~5
个分蘖, 主茎叶龄 5~6); 幼穗分化期处理在播种后
55 d, 此时肉眼可见白色羽毛状花序, 约为丁颖穗
分化 8 个时期划分标准中的二次枝梗分化期; 孕穗
期处理在播种后 70 d (主茎稻穗从旗叶鞘抽出 1~5
cm)。
DK151用于分析不同生育期(分蘖期、幼穗分化
期、孕穗期)和不同组织(叶片、根部、幼穗)中 TCS
相关基因在旱胁迫条件下的表达谱变化。当 DK151
生长至分蘖期(tillering stage)、幼穗分化期(panicle
initiation stage)和孕穗期(booting stage)时, 打开 PVC
管下部排水孔塞子, 排尽孔上部营养液, 进行模拟
干旱胁迫处理, 以同期正常浇灌材料为对照。其余 8
个导入系和 IR64 用于比较分析不同抗旱株系干旱
胁迫下表达谱, 胁迫时期为孕穗期, 取样部位为叶
片。当被胁迫处理的水稻植株叶片全部卷曲、且叶
片相对含水量为 65%~75%时取样, 分蘖期和幼穗分
化期处理及对照材料取叶片和根, 孕穗期处理及对
照材料取幼穗和剑叶, 每处理及对照样品 3个生物学
重复, 将样品以液氮快速冷冻。

1630 作 物 学 报 第 35卷

1.2 RNA样品制备及基因芯片分析
RNA样品准备参照Affymetrix芯片分析要求
(Affymetrix GeneChip Expression Analysis Technical
Manual, Affymetrix)进行。液氮速冻样品被研磨成粉
状后 , 采用TRIZOL试剂提取总RNA, 然后用RNA
纯化试剂盒(RNeasy MinElute Cleanup Kit, Qiagen)
进行纯化。后续实验步骤由博奥生物有限公司协助
完成 , 包括采用 20 µg总RNA合成双链cDNA, 以
cDNA为模板由aRNA扩增试剂盒(MessageAmpTM II
aRNA Amplification Kit, Ambion)合成带生物素标记
的cRNA, 根据Affymetrix的方法将cRNA片段化为
35~200个碱基小片段。将纯化后的cRNA与Affymetrix
公司水稻全基因组芯片(该芯片含有 48 564个针对粳
稻和 1 260个针对籼稻基因设计的探针组) 45℃杂交
16 h, 使用GeneChip Hybridization Oven 640 (Affy-
metrix)进行杂交, 然后在芯片工作站Fluidics Station
450 (Affymetrix)进行芯片洗脱 , 采用芯片扫描仪
Gene Chip Scanner 3000 (Affymetrix)进行扫描。
1.3 芯片数据处理
采用芯片数据分析软件 (GeneChip Operating
Software, GCOS1.4)对杂交数据进行分析, 先用肉眼
进行初步判断, 然后使用 GCOS1.4 提取原始数据,
保存为 CGL格式; 用 dChip对芯片数据进行校正。
使用芯片分析软件(Significant Analysis of Microar-
ray, SAM)对每种样品旱处理前后的数据进行分析,
差异表达基因筛选标准为表达值 1.5倍变化率(处理/
对照)和 q值(FDR adjusted P value) ≤0.05。对于芯
片上探针所对应的双组分元件基因注释, 根据参考
文献[3]所发表相关基因信息以及 Affymetrix 公司附
注进行定位。用 Cluster 3.0 软件对各样品检测信号
值进行聚类分析, 采用类平均数法(average linkage)
进行层次聚类(hierarchical clustering)。
1.4 PCR分析验证 TCS基因芯片表达谱结果
采用两步法RT-PCR, 即先以 1 µg总RNA反转录
生成单链cDNA (Promega), 将产物稀释 5倍后备用。
后续扩增反应体系 20 µL, 含反转录产物稀释液 2
µL, 1×PCR buffer, 10 mmol L−1 dNTPs 2 µL, 上下游
引物各 10 µmol, 0.5 U Taq DNA Polymerase。以 94 ℃
30 s, 56 1 min, 72 1 min℃ ℃ 循环 30次。由Primer 3.0
软件完成引物设计, 以Actin1为对照。
2 结果与分析
2.1 芯片数据可靠性评价
基因芯片扫描图像清晰, 平均背景值与噪音值
较低; 阳性率(present percent)数值正常; Poly-A对照
(lys, phe, thr, dap)和杂交对照(bioB, bioC, bioD, cre)
均为阳性 , 并且信号值差异符合它们的相对浓度 ;
内参基因 β-actin和 GAPDH 探针组 3/5的比值小于
3; 阳性对照 B2 Oligo均匀分布在芯片的四周, 各质
控指标符合要求。同时各处理 3 个生物学重复间杂
交信号的相关系数均大于0.95, 说明试验重复性较好。
2.2 TCS基因在干旱胁迫环境下的时空表达特征
采用水稻 Affymetrix 基因芯片对水稻双组分元
件相关基因的干旱胁迫时空表达谱进行系统分析。
DK151是以干旱敏感的 IR64为轮回亲本, 以伊朗粳
稻农家品种 Binam 为供体亲本, 经回交选择的高世
代抗旱导入系, 对其分蘖期和幼穗分化期叶片、根
以及孕穗期叶片和幼穗的 51 个 TCS 基因在干旱胁
迫及对照条件下的表达谱变化进行对比分析表明 ,
共有 38 个 TCS 基因至少在一个组织中受干旱胁迫
差异表达(表 1), 其中上调基因 11个, 下调基因 20个,
另外 7个基因表达谱在不同样品中的变化趋势各异。
Scheller等[13]对水稻中已经鉴定的 52 个TCS组
分进行了标准化命名, 包括 11 种感应激酶(包括细
胞分裂素受体和乙烯受体), 5 种磷酸转移蛋白和 36
种应答调控器。根据N-端和C-端延伸区长短和Asp
结构域的有无, 可将应答调控器划分为A型、B型、
C型和假应答调控器, 其中A型应答调控器和B型应
答调控器是CK信号传导中重要调控因子, 二者作用
相反并表现为相互调控和制约[2,9,15]。本实验中受干
旱胁迫诱导上调基因包括组氨酸蛋白激酶基因
(HK3、HK5), 组氨酸磷酸转移蛋白基因Ahp1, 以及
8 个应答调节器基因(其中A型 1 个、B型 5 个、C型
1 个、假应答调节器 1 个)。受干旱胁迫抑制下调基
因包括 6 个组氨酸激酶基因(乙烯受体基因Ers2、
Etr2、Etr3和细胞分裂素受体基因HK1、HK2、HK6),
以及 14 个应答调节器基因(其中A型 13 个、B型 1
个、C型 1个、假应答调节器 1个)。这些结果表明:
上调应答调节器以B型为主 , 而下调应答调节器主
要为A型。细胞分裂素受体同时具有上调和下调两种
情况, 而乙烯受体则仅在下调基因中出现。具有生
物钟功能的假应答调控器基因大部分在不同样品中
的变化趋势各异。
根据 TCS基因表达谱对不同组织不同时期样品
进行聚类分析, 结果表明该类基因在干旱胁迫环境
下的表达具明显的时空特异性。如图 1所示, 3个时
第 9期 潘雅姣等: 水稻双组分系统基因干旱胁迫表达谱分析 1631

表 1 DK151株系在干旱胁迫下差异表达的 TCS基因表达谱
Table 1 TCS genes differentially expressed under drought stress condition in DK151
基因
Gene
基因编号
OsGI
探针编号
Probe set ID
孕穗期
幼穗
BP
分蘖期
叶片
TL
穗分化期
叶片
PL
孕穗期
叶片
BL
分蘖期
根部
TR
穗分化期
根部
PR
Ers2 Os05g06320 Os.7454.1.S1_a_at 0.83 1.14 0.37 0.94 0.87 0.82
Etr2 Os04g08740 Os.14934.1.S1_at 0.63 0.87 1.05 0.69 0.38 0.53
Etr3 Os02g57530 Os.8423.1.S1_a_at 0.80 0.82 0.10 0.59 0.55 0.48
HK1 Os06g44410 OsAffx.28099.1.S1_at 0.85 0.55 0.53 0.55 0.84 0.73
HK2 Os06g08450 OsAffx.15311.1.S1_at 0.93 0.46 0.62 0.82 0.97 0.81
HK6 Os02g50480 Os.51036.1.A1_at 0.52 0.78 0.52 0.48 0.83 1.02
Prr10 Os05g32890 OsAffx.27127.1.S1_at 1.07 0.63 0.84 0.86 0.95 0.96
Rr1 Os04g36070 Os.8117.1.S1_at 0.18 0.19 0.08 0.16 0.50 0.72
Rr10 Os12g04500 Os.37430.1.S1_at 0.37 0.32 0.03 0.05 0.69 0.61
Rr11 Os02g42060 OsAffx.12448.1.S1_at 0.54 1.06 0.91 0.82 0.64 0.62
Rr12 Os08g28950 OsAffx.29407.2.S1_at 0.98 0.47 1.15 0.89 1.04 1.16
Rr13 Os08g26990 OsAffx.29407.3.S1_at 1.15 0.74 0.50 0.75 0.96 0.92
Rr2 Os02g35180 Os.23942.1.A1_at 0.54 0.28 0.02 0.05 0.63 0.51
Rr3 Os02g58350 OsAffx.24922.1.S1_at 1.01 0.85 0.92 0.86 0.56 0.80
Rr32 Os08g17760 OsAffx.5861.1.S1_at 0.79 0.60 0.38 0.47 1.23 0.93
Rr4 Os01g72330 Os.15908.1.S1_s_at 0.86 0.59 0.21 0.09 0.68 0.58
Rr41 Os03g53100 Os.47324.1.S1_s_at 1.39 0.75 0.61 0.76 1.18 0.87
Rr5 Os04g44280 Os.54667.1.S1_at 0.81 0.75 0.67 0.60 0.86 0.94
Rr6 Os04g57720 Os.24952.1.S1_at 0.49 0.48 1.03 0.43 0.97 1.36
Rr7 Os07g26720 OsAffx.22367.1.S1_at 0.59 0.74 1.35 0.70 0.96 1.17
HK3 Os01g69920 Os.12312.1.S1_at 1.91 1.47 2.56 1.82 1.14 1.42
HK5 Os10g21810 Os.8454.1.S1_s_at 0.90 1.74 2.26 2.91 1.44 1.60
Prr59 Os11g05930 Os.12795.1.S1_at 2.04 1.15 1.38 1.68 1.10 0.87
Rr21 Os03g12350 Os.11949.1.S1_at 2.09 1.22 2.77 2.14 0.97 1.04
Rr22 Os06g08440 Os.19406.1.S1_at 1.32 1.04 1.51 1.28 1.44 1.60
Rr23 Os02g55320 Os.5243.1.S1_at 1.45 1.93 3.60 1.17 1.35 1.21
Rr25 Os06g43910 OsAffx.28091.1.S1_at 1.53 1.08 1.41 1.04 1.47 1.53
Rr28 Os04g28160 OsAffx.3927.1.S1_at 1.16 1.14 1.89 1.48 1.38 1.50
Rr42 Os04g13480 OsAffx.13803.1.S1_s_at 1.07 1.57 1.03 1.20 0.99 0.89
Rr8 Os08g28900 OsAffx.29407.1.S1_at 0.95 1.49 1.54 0.96 0.96 1.09
HK4 Os03g50860 Os.51112.1.S1_at 0.48 1.96 0.34 0.69 0.93 1.31
Ahp1 Os08g44350 Os.16444.1.S1_at 1.42 1.47 3.02 1.66 0.72 0.79
Php1 Os01g54050 OsAffx.21635.2.S1_at 2.63 0.52 0.49 0.57 1.36 1.27
Prr1 Os02g40510 Os.26572.1.S1_at 1.61 1.54 0.62 1.45 1.03 0.86
Prr37 Os07g49460 Os.14563.1.S1_at 1.40 0.78 0.27 0.49 2.07 2.26
Prr95 Os09g36220 Os.8142.1.S1_a_at 1.51 1.09 0.59 1.23 1.45 0.91
Prr73 Os03g17570 Os.8104.1.S1_a_at 1.21 0.47 0.29 0.89 1.27 1.58
Rr24 Os02g08500 Os.27847.1.S1_at 1.13 1.50 0.52 0.67 0.85 0.78
Rr26 Os01g67770 Os.49428.1.S1_at 2.17 1.54 0.43 1.11 1.43 0.80
表中数值为胁迫及对照条件下基因表达比值。
The values in this table are the ratio of expression level between drought stress and control.
BP: young panicle at booting stage; TL: leaf at tillering stage; PL: leaf at panicle initiation stage; BL: leaf at booting stage; TR: root at
tillering stage; PR: root at panicle initiation stage.


1632 作 物 学 报 第 35卷

期的叶片材料聚为一类后与孕穗期幼穗材料聚在一
起, 而且两个生殖生长期(幼穗分化期和孕穗期)的
叶片关系较近, 分蘖期和穗分化期根部样品聚为一
类, 表现出明显的组织特异性, 尤其在叶片中特异
性表达最为明显。如图 2 所示, 共有 7 个 TCS 基因
在叶片中特异表达: 组氨酸蛋白激酶 HK1、组氨酸
磷酸转移蛋白 Php1 和应答调控器 Rr32 的表达在所
有 3 个时期叶片材料中表现为干旱胁迫抑制, 应答
调控器基因 Rr5、Rr24、Prr37仅在幼穗分化期和孕
穗期叶片中表达下调, 而 Rr24在分蘖期叶片中为表
达上调, 表现出该基因在干旱胁迫下表达的时期特
异性, 同时 Prr37在根部为上调表达, 表现为一定的
组织特异性。应答调控器 Rr21 在生殖生长期(幼穗
分化期和孕穗期)叶片及穗部表达上调, 而在根部材
料和分蘖期叶片中无表达差异, 具有明显的时空表
达特异性。
进一步分析同期材料中的 TCS 基因表达谱, 发
现在干旱胁迫下绝大多数 TCS基因在同一时期不同
组织中差异表达方向一致, 只有少数基因方向相反
且主要为假应答调控器和磷酸转移蛋白, Php1 基因
在孕穗期幼穗和叶片中分别为显著上调和下调表达;
而 Prr37 和 Prr83 两个基因在幼穗分化期叶片中明
显下调, 而在根中却为上调表达。以上结果表明TCS
基因的干旱胁迫反应与水稻的发育进程以及组织器
官功能紧密相关。
2.3 孕穗期水稻抗旱株系 TCS 基因干旱胁迫表
达谱
为研究双组分元件基因在不同抗旱基因导入系














图 1 DK151不同样品 TCS基因干旱胁迫表达谱聚类分析结果
(类平均数法)
Fig. 1 Clustering of different samples based on TCS genes
expression pattern under drought stress by an average linkage
hierarchical clustering method
BP: 孕穗期幼穗; TL: 分蘖期叶片; PL: 幼穗分化期叶片; BL:
孕穗期叶片; TR: 分蘖期根样; PR: 幼穗分化期根样。
BP: young panicle at booting stage; TL: leaf at tillering stage; PL:
leave at panicle initiation stage, BL: leaf at booting stage; TR: root
at tillering stage; PR: root at panicle initiation stage.


图 2 DK151叶片特异性表达 TCS基因表达谱
Fig. 2 Expression pattern of TCS genes differentially ex-
pressed specifically in DK151 leaves
绿色代表下调表达, 红色代表上调表达, 黑色表示没有变化。
TL: 分蘖期叶片; PL: 幼穗分化期叶片; BL: 孕穗期叶片; TR:
分蘖期根; PR: 幼穗分化期根; BP: 孕穗期幼穗。
Green, red, and black spots show repressed, upregulated, and no
changed gene expression, respectively.
TL: leaves at tillering stage; PL: leaves at panicle initiation stage;
BL: booting stage; TR: roots at tillering stages; PR: roots at panicle
initiation stages; BP: young panicle at booting stage.

中的表达情况, 选择包括 DK151在内的 9个抗旱基
因导入系及其轮回亲本 IR64, 采用芯片对比分析所
有株系 TCS基因在孕穗期叶片的干旱胁迫表达谱。
如表 2 所示, 除仅在 DK151 中差异表达的 HK1、
HK5、Rr24和 Prr59外, 共 22个 TCS基因在至少一
个水稻株系中受干旱胁迫差异表达。其中共 14个基
因(如 Etr3、HK6、php1等)在 DK151和其他 9个株
系的差异表达类型一致, 其余基因也基本与 DK151
在其他组织和发育期整体表现趋势一致。说明在同
等胁迫条件下, 大部分 TCS 组分基因在所有株系中
受干旱胁迫后表达调控方向一致。
进一步分析发现, 除两个基因(Php3 和 Prr73)
外, 大部分受干旱胁迫差异表达的 TCS 基因在包括
IR64 在内的所有株系中表达谱变化整体趋势相同,
其中有几个基因在几乎所有株系中(8 个以上)均检
测到受干旱胁迫下调(Php1、Rr10、Rr1、Rr2、Rr4)
或上调(HK3)表达。其中 Rr1和 Rr2在所有组织和发
育时期样品中均为受干旱胁迫下调表达, Php1、Rr2
和 Rr4 在至少 4 个样品中表达下调, 其中包括所有
发育时期的叶片材料。而在 7 个以上株系中受干旱
胁迫差异表达的 TCS基因, 在轮回亲本 IR64中均表
现为相同的表达差异, 表明这些基因可能只参与干
旱胁迫反应, 而与抗旱导入系的干旱胁迫抗性没有
关系。有部分 TCS基因只在少数导入系中受干旱胁

表 2 孕穗期干旱胁迫下 TCS基因在不同抗旱导入系和 IR64中差异表达
Table 2 TCS genes differentially expressed in different DK lines and IR64 under drought stress
基因
Gene
基因编号
OsGI
探针编号
Probe Set ID
DK151 DK106 DK135 DK124 DK177 DK143 DK184 DK98 DK164 IR64
Ers2 LOC_Os05g06320 Os.7454.1.S1_a_at N 0.89 0.79 0.86 0.63 0.90 1.23 0.70 0.80 0.82
Etr3 LOC_Os02g57530 Os.8423.1.S1_a_at 0.59 0.57 0.67 0.75 0.57 0.61 0.71 0.92 0.38 0.55
HK1 LOC_Os06g44410 OsAffx.28099.1.S1_at 0.55 0.86 0.97 0.81 0.69 0.82 0.70 0.82 0.83 0.82
HK3 LOC_Os01g69920 Os.12312.1.S1_at 1.82 1.53 1.30 1.54 1.48 1.52 1.51 1.52 1.66 1.57
HK4 LOC_Os03g50860 Os.51112.1.S1_at N 0.76 0.63 0.86 0.64 0.80 0.84 0.90 0.73 0.66
HK5 LOC_Os10g21810 Os.8454.1.S1_s_at 2.91 N N N N N N N N N
HK6 LOC_Os02g50480 Os.51036.1.A1_at 0.48 0.83 0.67 0.66 0.63 0.65 0.89 0.73 0.57 0.86
Ahp1 LOC_Os08g44350 Os.16444.1.S1_at 1.66 1.39 1.56 1.32 2.14 1.33 1.10 2.03 1.35 1.65
Php1 LOC_Os01g54050 OsAffx.21635.2.S1_at 0.57 0.62 0.69 0.61 0.38 0.53 0.33 0.75 0.39 0.58
Php3 LOC_Os05g44570 Os.52244.2.S1_x_at N 0.99 0.61 2.04 0.60 1.87 1.06 0.96 0.80 0.80
Prr37 LOC_Os07g49460 Os.14563.1.S1_at 0.49 0.83 0.60 0.65 0.56 0.78 0.60 0.79 0.39 0.60
Prr59 LOC_Os11g05930 Os.12795.1.S1_at 1.68 N N N N N N N N N
Prr73 LOC_Os03g17570 Os.8104.1.S1_a_at 1.68 0.95 0.82 0.78 0.89 0.87 0.63 1.99 0.50 0.81
Rr1 LOC_Os04g36070 Os.8117.1.S1_at N 0.73 0.85 0.17 0.25 0.23 0.72 0.35 0.26 0.41
Rr10 LOC_Os12g04500 Os.37430.1.S1_at 0.16 0.66 0.64 0.12 0.19 0.19 0.62 0.29 0.10 0.64
Rr13 LOC_Os08g26990 OsAffx.29407.3.S1_at 0.05 0.86 0.75 0.83 0.77 0.87 0.81 1.06 0.92 0.98
Rr2 LOC_Os02g35180 Os.23942.1.A1_at 0.05 0.44 0.55 0.12 0.15 0.19 0.47 0.25 0.15 0.43
Rr21 LOC_Os03g12350 Os.11949.1.S1_at 2.14 1.52 1.38 1.55 1.48 1.58 1.25 1.58 1.77 1.48
Rr23 LOC_Os02g55320 Os.5243.1.S1_at N 1.41 1.39 1.30 1.41 1.51 1.26 1.38 1.41 1.81
Rr24 LOC_Os02g08500 Os.27847.1.S1_at 0.67 N N N N N N N N N
Rr25 LOC_Os06g43910 OsAffx.28091.1.S1_at 0.67 1.17 1.28 0.99 0.98 1.16 1.06 0.83 1.90 0.92
Rr30 LOC_Os10g32600 OsAffx.30643.1.S1_at N 0.98 0.95 1.00 0.42 0.78 1.00 0.64 0.82 1.02
Rr32 LOC_Os08g17760 OsAffx.5861.1.S1_at 0.47 0.98 0.80 0.85 0.49 0.75 0.80 0.37 1.25 0.60
Rr33 LOC_Os08g35670 Os.55050.1.S1_at N 0.53 0.56 0.54 0.57 0.41 0.71 1.08 0.46 0.50
Rr4 LOC_Os01g72330 Os.15908.1.S1_s_at 0.09 0.37 0.57 0.11 0.04 0.23 0.38 0.17 0.17 0.25
Rr5 LOC_Os04g44280 Os.54667.1.S1_at 0.60 0.79 0.96 0.86 0.81 0.85 0.84 0.64 0.84 0.81
Rr6 LOC_Os04g57720 Os.24952.1.S1_at 0.43 1.01 0.97 0.46 0.37 0.60 1.35 0.48 0.26 0.82
差异基因筛选标准为胁迫与对照信号比值 1.5以上，假阳性率≤0.05. N表示无表达差异。
FDR≤0.05 was used to identify the genes that are up- or down-regulated more than 1.5 folds. N: no changed gene expression.
1634 作 物 学 报 第 35卷

迫上调或下调差异表达, 如 Rr6在除 DK106、DK135
和 DK143外所有导入系中均表现下调; 而超过半数
TCS 基因只在部分株系中检测到差异表达, 株系间
差异明显, 而且与株系抗旱性没有关联, 结果表明
TCS 基因的差异表达是源于水稻株系对干旱胁迫的
反应。估计是由于株系间遗传差异而导致 TCS基因
表达的差异。
2.4 半定量 PCR分析验证TCS基因的表达谱结果
为了验证芯片数据, 我们选择了 10个 TCS基因
对两套芯片数据分别进行 RT-PCR 验证。如图 3-A
所示, 干旱处理条件下 TCS 基因在水稻不同组织和
发育时期的表达谱结果与 RT-PCR 结果的符合度为
85%。同时干旱胁迫下 TCS 基因在不同株系内表达
谱的RT-PCR验证结果(图3-B)显示, 二者的符合度高
达 97.5%。芯片结果与 RT-PCR结果符合程度较好。
3 讨论
基因芯片是近年来发展起来的高通量检测全基
因组表达谱的技术平台, 本实验首次应用 Affymetrix
基因芯片, 对水稻全基因组双组分元件相关基因在
干旱胁迫下的表达进行系统分析, 为全面解析 TCS基
因在水稻植株应对环境胁迫中的分子机制打下基础。
本研究发现 TCS基因的表达在干旱胁迫环境下
具明显的时空特异性, 且主要表现为组织特异性。
聚类结果显示根部与其他两个组织的干旱胁迫表达
谱差异较大, 而与生殖生长期叶片中 TCS 基因表达
谱最为接近。同时部分具有相似表达谱的基因位于
染色体重复区段(如 Rr1与 Rr2, Rr22与 Rr23), 该结
果与 Jain等[11]的研究结论相符合。这可能是由于同类
TCS 组分基因在遗传结构和功能上是过量重复的[6,14],
这种重复的剂量效应有利于各 TCS组分间的功能协
调, 从而应对植物不同发育过程的环境胁迫。
本试验中 A型和 B型两类应答调控器受干旱胁
迫调控表达方向相反, 并且部分基因(Rr1、Rr2、Rr5、
Rr10 和 Rr21)与前人结果相符[11,15]。关于这两类应
答调控器分别作为 CK 信号传导的负向和正向调控
因子的报道很多 [9,16-18], 同时二者关系表现为相互
调控和制约。研究表明, B型应答调控器作为转录因



图 3 芯片结果的半定量 PCR验证
Fig. 3 Validation of microarray result with RT-PCR
A: 干旱胁迫下 TCS基因在不同组织和发育时期差异表达特征的 RT-PCR验证; B: 干旱胁迫下 TCS基因在不同株系中差异表达特征
的 RT-PCR验证。芯片结果以干旱胁迫处理与对照信号比值表示, 标注于各 mRNA电泳结果下方。*表示电泳结果与 microarray结果
不一致的情况。C: 对照; S: 旱迫处理。
A: RT-PCR analysis of TCS genes differentially expressed among different organs and growth stages under drought stress; B: RT-PCR analy-
sis of TCS genes differentially expressed among different lines under drought stress. The corresponding stress to control signal ratio of mi-
croarray data is shown at the bottom of each mRNA blot. The * corresponds to that the microarray data not confirmed by the mRNA blot
results. C: control, S: stress.

第 9期 潘雅姣等: 水稻双组分系统基因干旱胁迫表达谱分析 1635


子可调控 A型调控器亚族基因的转录, 而 A型应答
调控器可能通过抑制 B 型调控器磷酸化激活, 或者
增加 B 型应答调控器负向调控因子活性控制其表达
活性[2]。由此可以推测: A型应答调控器的干旱胁迫
诱导下调表达可能是受 B 型应答调控器的负调控。
同时乙烯受体基因在干旱胁迫环境下表达受到抑制,
从激素间相互关系的角度更好地印证了上述推测。
本研究发现, 细胞分裂素受体类 TCS 基因在干
旱胁迫环境下的表达分为上调和下调两类, 且部分
基因(HK1、HK3、HK4和 HK6)结果与前人研究结果
相印证 [11,15], 表明干旱胁迫反应与细胞分裂素信号
传导路径部分重叠。序列比对结果显示干旱诱导表
达上调的 HK5和 HK3与拟南芥 CK信号传导系统中
受体 AHK2、AHK3、AHK4 相似性最高。而受干旱
抑制表达的基因中 HK6 与拟南芥 AHK5 (cytokinin-
independent 2, CKI2)序列接近, AHK5作为负向调控
因子参与乙烯与脱落酸协同信号传导途径[19]。该类
基因在干旱胁迫下表达的差异可能是其功能差异造
成的。
多数 TCS基因表达谱在抗旱导入系和干旱敏感
轮回亲本 IR64间无显著差异, 且抗旱株系间表达谱
差异与株系抗旱性也没有直接关联。推测 TCS基因
的差异表达是源于水稻株系对干旱胁迫的反应, 而
与不同株系抗旱能力的强弱关系不大。
4 结论
大部分 TCS基因的表达在干旱胁迫环境下具明
显的时空特异性, 且主要表现为组织特异性。同类
TCS 组分基因在遗传结构和功能上可能是过量重复
的。A 型应答调控器表达下调而 B 型两类应答调控
器表达上调, 可能与二者在 CK 信号传导的反向调
控相关。推测 TCS基因的差异表达源于水稻株系对
干旱胁迫的反应, 而与抗旱能力的关系不大。
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