SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析

doi:10.11686/cyxb2022173

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (4): 91-100.DOI: 10.11686/cyxb2022173

SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析

郑甲成¹(), 余婕¹(), 李凡¹, 黄小奕¹, 李杰勤¹, 陈海州³, 王歆¹, 詹秋文¹(), 徐兆师²()

^1.安徽科技学院，安徽凤阳 233100
^2.中国农业科学院作物科学研究所，国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程，农业农村部麦类生物学与遗传育种重点实验室，北京 100081
^3.安徽友鑫农业科技有限公司，安徽合肥 230000

收稿日期:2022-04-19 修回日期:2022-07-27 出版日期:2023-04-20 发布日期:2023-01-29
通讯作者: 詹秋文,徐兆师
作者简介:E-mail： xuzhaoshi@caas.cn
E-mail： qwzhan@163.com
郑甲成（1984-），男，甘肃庆阳人，副教授，博士。E-mail： zhengjiachengx2016@126.com
余婕（1998-），女，安徽广德人，在读硕士。E-mail： yujiezero@qq.com。第一联系人：郑甲成和余婕是共同第一作者
基金资助:
安徽科技学院校级研究生科研项目(YK202103);国家级大学生创新创业训练计划项目(202210879054);转基因生物新品种培育重大专项(2016ZX08002-002)

Functional characterization of the role of SbER10_X1 in regulating photosynthesis and biomass of sorghum forage

Jia-cheng ZHENG¹(), Jie YU¹(), Fan LI¹, Xiao-yi HUANG¹, Jie-qin LI¹, Hai-zhou CHEN³, Xin WANG¹, Qiu-wen ZHAN¹(), Zhao-shi XU²()

^1.Anhui Science and Technology University，Fengyang 233100，China
^2.Institute of Crop Science，Chinese Academy of Agricultural Sciences，National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Triticeae Crops，Ministry of Agriculture，Beijing 100081，China
^3.Anhui Youxin Agricultural Science and Technology Co. LTD，Hefei 230000，China

Received:2022-04-19 Revised:2022-07-27 Online:2023-04-20 Published:2023-01-29
Contact: Qiu-wen ZHAN,Zhao-shi XU

摘要/Abstract

摘要：

为了分析SbER10_X1调控高粱光合作用和生物产量的功能特性，本研究以高粱SbER10_X1基因过表达株系（SbERex）、目的基因沉默株系（SbERin）和野生型对照株系（WT）为材料，鉴定转基因株系的阳性和目的基因表达水平，挑选SbERex 5和SbERin 6株系，切片观察茎秆细胞大小，测定主茎秆内植物激素含量，分析光合作用相关参数，并连续两年调查生物量相关指标。结果表明：与WT株系相比，SbERex 5茎秆中赤霉素含量显著增加，脱落酸含量显著降低，导致过表达株系茎秆细胞显著增大，株高显著增加，而SbERin 6株系的赤霉素含量显著减少，脱落酸含量显著升高，但主茎秆细胞大小变化不显著。SbERex 5株系的光合速率和水分利用效率显著增加，引起SbERex 5的株高、分蘖数、叶面积、单株产量和单株生物量显著高于WT，而SbERin 6仅存在减小趋势。结果表明SbER10_X1可以影响植物激素合成，导致高粱细胞体积增大，光合能力增强，有效提升饲用高粱生物产量。

关键词: 高粱, SbER10_X1基因, 光合作用, 生物量, 植物激素

Abstract:

The objective of this study was to functionally analyze SbER10_X1 in terms of its role in regulating the photosynthesis and biomass of sorghum. We generated SbERex lines overexpressing the sorghum SbER10_X1 gene and SbERin lines with the target gene silenced. From the transgenic lines， we selected SbERex 5 and SbERin 6 line for observations of stem cell size， determination of phytohormone contents in the main stems， analyses of photosynthesis-related parameters， and measurement of biomass-related traits in 2 consecutive years， and compared these attributes with those of the wild type （WT）. Compared with the WT， SbERex 5 showed a higher gibberellin content in the stem and markedly decreased abscisic acid content， leading to a significant enlargement of stem cells and increased plant height. The SbERin 6 line showed a significantly reduced gibberellin content and increased abscisic acid content in the stem， but the stem cell size was unchanged. Compared with the WT， the SbERex 5 line showed significantly increased photosynthetic rate and water-use efficiency， which contributed to significant increases in plant height， number of tillers， leaf area， grain yield， and biomass per plant. All these characteristics showed slightly lower values in SbERin 6 than in WT. These results suggest that SbER10_X1 affects phytohormone synthesis， increases sorghum cell size， enhances photosynthetic capacity， and effectively improves the biomass production of forage sorghum.

Key words: sorghum, SbER10_X1 gene, photosynthesis, biomass, phytohormones

郑甲成, 余婕, 李凡, 黄小奕, 李杰勤, 陈海州, 王歆, 詹秋文, 徐兆师. SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析[J]. 草业学报, 2023, 32(4): 91-100.

Jia-cheng ZHENG, Jie YU, Fan LI, Xiao-yi HUANG, Jie-qin LI, Hai-zhou CHEN, Xin WANG, Qiu-wen ZHAN, Zhao-shi XU. Functional characterization of the role of SbER10_X1 in regulating photosynthesis and biomass of sorghum forage[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(4): 91-100.

图/表 7

图1 转基因高粱不同株系阳性鉴定A为目标基因过表达株系SbERex，泳道1~6分别为SbERex 1~6株系，7为WT株系，8为阴性对照。B为目标基因沉默株系SbERin，泳道1~5分别为SbERin 6、SbERin 8、SbERin 9、SbERin 15和SbERin 16株系，6为阴性对照。+表示检测为阳性单株，-表示检测为阴性单株，I~Ⅳ表示4次生物学重复，M为DL2000 marker。A was target gene overexpression lines SbERex， lane 1-6 were SbERex 1-6 lines， 7 was WT line， 8 was negative control， B was target gene silence lines SbERin， lane 1-5 were SbERin 6， SbERin 8， SbERin 9， SbERin 15 and SbERin 16， respectively， 6 was negative control. “+” represented the positive plants， “－” represented the negative plants， I-Ⅳ were four biological replications， M was DL2000 marker.

Fig.1 Positive identification of different transgenic sorghum lines （n=4）

图2 高粱不同转基因株系SbER10_X1基因的表达水平分析A： SbER10_X1过表达株系SbER10_X1 overexpression lines； B：目标基因沉默株系SbER10_X1 gene silencing lines；不同大写字母表示差异显著（P<0.01）Different capital letters indicate significant differences （P<0.01）.

Fig.2 Relative expression of SbER10_X1 in different transgenic sorghum lines （n=4）

图3 转基因高粱茎秆细胞切片分析A：高粱茎秆外表面扫描电镜分析The outer surface scanning of sorghum stem by electron microscopic； B：高粱茎秆外表面气孔密度Stomatal density of outer surface of sorghum stem； C：高粱茎秆外表面气孔细胞大小Stomatal cell size of outer surface of sorghum stem；不同小写字母表示同一指标中不同株系间差异显著（P<0.05）Different lowercase letters indicate the significant differences among different lines inside the same index （P<0.05）；下同The same below.

Fig.3 Stem cell section analysis of transgenic sorghum lines （n=60）

表1 转基因高粱茎秆内源激素含量

Table 1 Endogenous hormone content of transgenic sorghum stem （n=6， ng·g-1）

株系Line	生长素IAA	脱落酸ABA	赤霉素GA₃
WT	3.49±0.14a	3.16±0.07b	0.24±0.01b
SbERex 5	3.26±0.08a	2.38±0.08c	0.39±0.00a
SbERin 6	3.58±0.20a	10.95±0.08a	0.18±0.00c

图4 转基因高粱光合作用相关参数

Fig.4 Photosynthesis-related parameters of transgenic sorghum （n=10）

图5 转基因高粱株系生长形态

Fig.5 Morphology performance of transgenic sorghum lines

表2 转基因高粱生物量相关性状分析

Table 2 Biomass-related traits of transgenic sorghum lines （n=10）

指标 Index	株系 Lines	年份 Year		变异系数 Coefficient of variation
指标 Index	株系 Lines	2020	2021	变异系数 Coefficient of variation
株高 Plant height （cm）	WT	131.37±3.51b	132.13±2.65b	0.41
	SbERex 5	156.31±3.14a	154.54±1.53a	0.81
	SbERin 6	120.16±2.08c	116.73±3.51c	3.21
叶面积 Leaf area （cm²）	WT	212.52±7.00b	207.63±15.40b	1.65
	SbERex 5	232.79±10.70a	231.94±18.15a	0.26
	SbERin 6	195.46±12.06b	197.71±10.90b	0.85
分蘖数 Tiller number	WT	4.60±1.00b	4.80±1.00b	2.63
	SbERex 5	7.60±1.15a	8.00±0.58a	3.63
	SbERin 6	4.40±0.58b	4.30±0.58b	1.63
主茎粗 Main stem diameter （mm）	WT	28.91±2.12a	27.89±1.65a	2.54
	SbERex 5	30.95±1.34a	30.71±2.00a	0.55
	SbERin 6	28.33±3.82a	28.97±4.99a	1.58
主茎穗长 Main stem spike length （cm）	WT	32.17±1.53a	32.32±0.58a	0.33
	SbERex 5	33.42±2.08a	32.67±1.53a	1.60
	SbERin 6	31.11±1.15a	30.38±1.16a	1.68
单株产量 Yield per plant （g·plant^-1）	WT	31.36±3.84b	31.27±3.80b	0.20
	SbERex 5	39.02±3.48a	39.30±3.50a	0.51
	SbERin 6	29.52±1.14b	29.53±1.15b	0.02
单株生物量 Biomass per plant （g·plant^-1）	WT	386.35±20.40b	382.45±35.90b	0.72
	SbERex 5	576.38±5.93a	574.74±7.07a	0.20
	SbERin 6	373.19±13.47b	372.99±13.55b	0.04

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SbER10_X1调控饲用高粱光合作用和生物产量的功能特性分析

Functional characterization of the role of SbER10_X1 in regulating photosynthesis and biomass of sorghum forage

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