Rice leaf hydrophobicity and gas films are conferred by a wax synthesis gene(LGF1) and contribute to flood tolerance

水稻葉片疏水性和氣膜由蠟合成基因(LGF1)賦予并有助于耐淹性

來源：New Phytologist, Volume 218, 2018, Pages 1558-1569

《新植物學家》，第218卷，2018年，第1558-1569頁

 

摘要

摘要指出，洪水會阻礙植物與環境的氣體交換，而水稻葉片疏水性可以保留氣膜，但這一性狀的遺傳調控未知。研究使用drp7突變體（不能保留氣膜）和野生型Kinmaze，通過基因發現和互補測試，鑒定出Leaf Gas Film 1 (LGF1)基因。LGF1調控C30初級醇合成，影響表皮蠟質血小板豐度、葉片疏水性和氣膜保留，從而增強水下光合作用（8.2倍）和耐淹性。基因功能通過互補實驗驗證。

 

研究目的

鑒定控制水稻葉片氣膜保留的基因，并闡明其分子遺傳機制和生理功能，特別是對水下光合作用和耐淹性的貢獻，以幫助提高洪水易發區水稻產量的穩定性。

 

研究思路

基于使用drp7突變體（葉片親水，不能保留氣膜）和野生型Kinmaze（疏水，保留氣膜）進行對比。通過基因定位（利用F2群體進行位置克隆）識別候選基因LGF1，然后進行基因表達分析、互補測試（在drp7背景中表達LGF1 cDNA），并評估轉基因植株的葉片性狀（如蠟質成分、疏水性、氣膜保留和水下光合作用），以驗證基因功能。

 

測量的數據及研究意義

1 葉片疏水性（通過接觸角測量）：數據來自圖1c-f。研究意義是量化葉片疏水程度，接觸角大于90度表示疏水，大于150度表示超疏水，直接關聯氣膜保留能力；結果顯示drp7突變體疏水性喪失，而Kinmaze保持，證實疏水性是氣膜保留的基礎。

 

2 氣膜厚度（通過浮力法測量）：數據來自圖2a。研究意義是直接評估氣膜在淹沒條件下的持久性；結果顯示drp7突變體氣膜很快消失，而Kinmaze保持，表明氣膜保留是水下氣體交換的關鍵因素。

 

3 水下凈光合作用（通過測量O2 evolution，使用丹麥Unisense電極）：數據來自圖2b,c。研究意義是評估淹沒條件下光合效率；結果顯示drp7突變體水下光合作用顯著降低，而Kinmaze保持較高速率，證明氣膜通過降低CO2擴散阻力（8.2倍）增強水下光合作用，這對耐淹性至關重要。

4 葉片表面結構（通過掃描電子顯微鏡觀察）：數據來自圖1g,h和圖4g,h。研究意義是分析表皮蠟質血小板和乳突密度；結果顯示drp7突變體蠟質血小板減少，而Kinmaze豐富，表明LGF1通過調控蠟質影響疏水性。

 

5 蠟質成分（通過GC-MS和GC-FID分析）：數據來自圖6a,b。研究意義是確定LGF1對蠟質生物合成的影響；結果顯示drp7突變體C30初級醇減少、C30醛增加，而互補株恢復，表明LGF1調控C30初級醇合成，從而影響蠟質形成和疏水性。

 

6 基因表達（通過實時定量PCR）：數據來自圖3f。研究意義是評估LGF1轉錄水平；結果顯示drp7突變體表達量低，而Kinmaze在擴展葉片中高表達，證實LGF1在蠟質合成中的關鍵作用。

 

7 其他性狀（如田間耐淹性、缺水響應和病害敏感性）。研究意義是擴展LGF1的多效性；結果顯示drp7突變體在淹水田間死亡、缺水時失水更快、更易感稻瘟病，表明LGF1不僅影響耐淹性，還涉及水分保持和抗病性。

 

結論

LGF1/OsHSD1基因通過調控C30初級醇合成，影響表皮蠟質血小板豐度，從而賦予葉片疏水性和氣膜保留能力；這一性狀顯著增強水下光合作用（CO2進入效率提高8.2倍）并貢獻于水稻耐淹性。基因功能通過互補實驗驗證，為育種改善洪水易發區水稻產量穩定性提供了新靶點。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（型號OX-500）測量溶解氧濃度，用于評估水下凈光合作用。具體方法是將葉片段置于封閉瓶中，在光照下測量O2 evolution，從而計算光合速率。研究意義在于，該電極提供高精度和實時O2測量，能夠準確量化淹沒條件下葉片的氣體交換效率。數據表明，氣膜存在時（如Kinmaze），O2 evolution速率高，證明氣膜降低CO2擴散阻力，促進水下光合作用；而無氣膜時（如drp7），O2 evolution低，顯示氣體交換受阻。這直接驗證了氣膜在增強耐淹性中的生理機制，為理解植物適應洪水提供了關鍵實驗證據。