转碱蓬SsNHX1基因烟草的耐盐抗旱性研究

烟草是重要的模式植物和经济作物,盐害和干旱两种环境因子对其生长发育、产量和品质都危害很大。为了提高烟草的耐盐抗旱性,本研究利用农杆菌介导的遗传转化法在烟草中过量表达了碱蓬液泡膜Na~+/H~+逆向转运基因SsNHX1,对转基因烟草的耐盐及抗旱性进行表型鉴定和各项生化指标的检测,以期得到耐盐抗旱表性良好的SsNHX1转基因烟草。表型分析发现,SsNHX1基因过表达株系L1和L5的抗盐能力比野生型显著提高,表现为盐胁迫条件下仍能保持旺盛的生长且根系的伸长未受抑制。SsNHX1过表达株系在叶片和根系中积累了更多的Na~+和K~+,同时Na~+含量增长速率较快,而K~+含量降低速率较缓,并可维持较高的叶片相对含水量和叶绿素含量,及较低的丙二醛含量和相对电导率。干旱胁迫发现,过表达株系受干旱胁迫程度更小,并在复水后迅速恢复正常生长。同时,过表达株系的丙二醛含量和相对电导率显著低于野生型,且维持了较高的叶片相对含水量及叶绿素含量。这些结果说明SsNHX1基因在烟草中过量表达后,降低了盐胁迫和干旱胁迫对烟草根系及细胞膜的损伤,并通过调节离子含量、降低细胞的渗透势,维持了叶片较高的相对含水量和叶绿素含量,最终提高了烟草的抗盐和抗旱性。     

烟草NAC4基因的克隆及其抗旱功能分析

NAC(NAM-ATAF-CUC)转录因子在植物逆境胁迫应答过程中发挥着十分重要的作用。本研究克隆了烟草(Nicotiana tabacum)的NAC4基因,c DNA编码区全长1 422 bp,编码473个氨基酸;进化树分析表明,烟草NAC4基因编码的氨基酸序列与辣椒(Capsicum baccatum)和榴莲(Durio zibethinus)都有极高的相似性。构建表达载体pSH-NAC4,遗传转化烟草,获得32株转基因植株。选取6株不同的转基因株系和3株野生型(wild type,WT)在20%聚乙二醇6000胁迫的条件下,观察植株生长并进行抗旱性分析;选取T_1代3个转基因株系(TP_4,TP_6,TP_7)和野生型烟草种子,用3个不同浓度的甘露醇模拟干旱胁迫,对其种子的发芽率和苗期根进行耐旱性相关分析。结果发现,300 mmol/L甘露醇处理15 d,种子发芽率比野生型高40%以上,通过观察苗期根的生长发现,野生型植株根的生长明显受到抑制。用20%PEG6000处理转基因植株和野生型植株7 d,结果显示,在干旱胁迫下,转基因植株的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)和过氧化物酶(peroxidase,POD)的活性均显著高于野生型,丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量显著低于野生型植株(P0.05)。利用qRT-PCR方法分析相关基因,结果表明,在干旱胁迫时,NAC4,吡咯啉-5-羧酸合成酶基因(pyrroline-5-carboxylate synthetase,P5CS)和鸟氨酸-δ-氨基转移酶基因(ornithine-oxo-acid transaminase,δ-OAT)的相对表达量均上调;转NAC4基因的表达可能提高了植株的抗旱能力。本研究为进一步探讨NAC4基因的功能提供依据,以期为创制转基因耐旱植物提供基础资料。     

不同根型水稻的根系可塑性比较研究

为探究不同根型水稻对缺磷和干旱的响应情况,本研究筛选了不同根型的10个典型水稻品种作为试验对象,在水培条件下对其进行低磷和渗透胁迫处理1个月,研究水稻根系的可塑性。结果表明,不同根型水稻对低磷胁迫的响应差异显著,低磷胁迫会特异性地促进深根品种根系的伸长,平均比浅根品种伸长48.78%,同时显著抑制浅根品种根数目的增加,平均比深根品种根数减少24.90%。渗透胁迫对地上部分的抑制作用大于对地下部分的作用,分别减少地上干重和地下干重37.51%和5.73%。水稻对低磷和渗透2种非生物胁迫的响应方式不同,两者交互作用会加剧抑制植株生长。与2种处理叠加相比,低磷胁迫分别增加地上干重、地下干重和最大根长53.31%、54.05%和36.36%,减少根数9.05%;渗透胁迫分别增加地上干重、地下干重、最大根长和根数136.33%、49.19%、5.37%和32.91%。与对照相比,经3种处理的根冠比均显著上升,分别增加57.30%、142.70%、141.01%,但不同根型品种受相同程度胁迫后均倾向于保持近似的根冠比。本研究首次发现深根型水稻品种在低磷环境下特异性伸长根系这一特性,为水稻的营养高效和节水抗旱的研究和育种提供了理论依据。     

3种枫香的根系构型及功能特征对干旱的响应

以 3 种 2 年生枫香幼苗：中国枫香(Liquidambar formosana)、缺萼枫香(Liquidambar acalycina)、北美枫香(Liquidambar styraciflua)为供试材料,采用完全随机区组试验研究了自然干旱对枫香实生苗根系构型和功能特征的影响。结果表明,除根系碳含量以外,各处理根系特征之间(包括树种及干旱处理)差异极显著 (P<0.01)。干旱胁迫下,缺萼枫香比根长、比表面积、根系分叉相对增长率最高,分别为 56%、30%、-4%,北美枫香最低,分别为 9%、-3%、-19%;北美枫香根尖密度、根系平均直径相对增长率最高,分别为 40%、-10%,缺萼枫香最低,分别为?-27%、-16%;北美枫香根系氮含量相对增长率最高,为 127%,中国枫香最低为 41%;中国枫香根系 C/N 比相对增长率最高为 -26%,北美枫香最低,为 -56%;0北美枫香>缺萼枫香。     

番茄SlMIP基因参与转基因拟南芥的渗透调节

本实验以野生型（WT）和转番茄SlMIP基因的拟南芥为材料,研究NaCl胁迫条件下对二者体内渗透调节特征的影响。结果发现, 在NaCl胁迫下,转SlMIP基因的拟南芥细胞膜损伤程度较轻,组织渗透势显著降低,并保持较高的组织含水量,生长受抑制程度明显低于野生型植株。转基因植株体内Na+ 含量和Na+/K+ 比值显著低于野生型拟南芥,K+含量虽有所下降但仍显著高于野生型植株,而且在盐胁迫下脯氨酸和可溶性糖含量也高于野生型拟南芥,表明转入番茄SlMIP基因后的拟南芥,通过增加水分子的吸收,减少钠离子的进入,增加了细胞内脯氨酸和可溶性糖的含量,进而影响植物的有机渗透调节能力,与此同时可能通过离子化区隔机制以及与质膜Na+/H+逆向转运蛋白的相互作用更有效地调节细胞内外的无机离子交换能力,使植物更有效地抵御盐害,表明番茄SlMIP水通道蛋白基因在植物盐胁迫下具有重要的渗透调节作用。     

青海湖内陆高寒湿地物种多样性和地上生物量的关系

采用不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫,设置对照(CK)、轻度干旱胁迫(T1)、中度干旱胁迫(T2)、重度干旱胁迫(T3),研究了沙枣根茎叶的生长特性、可溶性蛋白、叶片光合色素对干旱胁迫的响应。结果表明:(1)随着干旱胁迫程度的加重,沙枣根长、株高,叶片数才开始受到影响,T2胁迫下,沙枣的根长、株高先受到影响,叶片数和CK差异不显著;T3胁迫下,沙枣根长受影响最大,株高其次,叶片数受影响最小。(2)T2胁迫下,沙枣的根、茎鲜(干)重先受到影响,叶鲜(干)和CK差异不显著;T3胁迫下,沙枣根鲜(干)重受影响最大,茎鲜(干)其次,叶鲜(干)受影响最小。(3)沙枣叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素a+b总含量、类胡萝卜素含量等均随着干旱胁迫的加剧先升高后下降,叶绿素a/b变化趋势相反,叶绿素b对干旱胁迫的反应较叶绿素a敏感。(4)在T1胁迫下,沙枣根中的可溶性蛋白高出CK18.6%,T2,T3胁迫下,根中可溶性蛋白分别低于CK 13.9%,29.1%;在T1胁迫下,沙枣茎中的可溶性蛋白和CK差异不显著,T2,T3胁迫下,沙枣茎中可溶性蛋白分别高出CK 17.2%,41.9%;叶片中的可溶性蛋白只有在T3胁迫下,显著高于CK 24.3%。     

木薯枯草杆菌蛋白酶家族鉴定及MeSDD1的功能分析

枯草杆菌蛋白酶基因家族(SBT)是控制植物生长发育和响应环境胁迫的重要基因家族。为进一步了解木薯SBT基因家族的数量、基本特征、功能域和进化关系等,在全基因组水平通过生物信息学方法对SBT基因家族进行了鉴定和分析,并对其中一个成员的功能进行了分析。进化树分析结果表明,在木薯基因组中共鉴定到69个SBT成员,其中Manes.18G044300与拟南芥抗旱基因SDD1亲缘关系最近,因此将该成员命名为MeSDD1;22个成员无内含子,69个成员的蛋白携带5个高度保守的结构域,一部分SBT成员在染色体上呈紧密的串联分布,启动子存在干旱响应元件。用qRT-PCR检测筛选出表达量高的2个纯合株系用于后续研究。相关生理指标检测结果表明,2个转基因株系叶片的相对含水量均显著高于野生型;转基因株系离体叶片失水率小于野生型;转基因株系的气孔密度显著小于野生型;断水处理14 d,转基因株系的萎焉程度轻于野生型,表明MeSDD1增强了拟南芥植株的抗旱性。本研究结果为木薯抗旱育种提供了基因资源,并为后续研究MeSDD1介导的抗旱分子机制奠定了理论基础。     

玉米根系剖面分布对水分亏缺的响应

在水分亏缺和正常供水(土壤含水量分别维持在田间持水量的40%～45%和75%～80%)两种水分条件下,采用土柱实验方法,研究了玉米杂交种户单四号(F1)及其父本803(♂)、母本天四(♀)根系剖面分布对水分亏缺的响应.结果表明:水分亏缺除了对父本的总根重无显著影响之外,使杂交种和母本的总根重以及3个品种的总根长和根系总表面积均显著下降.在剖面分布上,水分亏缺显著降低了杂交种和母本在表层土层中的根重和根表面积.使杂交种在表层和中层土层中的根长以及亲本在深层土层中的根长显著下降.可见,玉米杂交种响应中度干旱胁迫的形态学变化是减少上层干土中的根系生长,而增加深层土层中根系的相对生长,即其深层根系分布占总根系的比重较亲本高,这种根系剖面分布的优化导致杂交种较高的生物量积累和水分利用效率.     

水分胁迫下氮素增加对玉米生长的抑制作用

水分和氮素是影响玉米生长发育的重要因子。在干旱和土壤贫瘠条件下,作物的生长和生理过程受到水分和氮素的交互作用。因此,研究水分胁迫下不同施氮水平对玉米叶片光合生理及根系形态的影响可以为玉米栽培中水氮的高效管理提供科学理论依据。利用温室盆栽试验,在中度水分胁迫(W1,40%～50%田间持水量)、轻度水分胁迫(W2,60%～70%田间持水量)和充足供水(W3,75%～90%田间持水量)三个水分处理下设置低氮(N1,1.0g·盆~(-1))、中氮(N2.5,2.5g·盆~(-1))和高氮(N5,5.0g·盆~(-1))三个施氮水平,研究玉米的生长状况、叶片气体交换参数、光和二氧化碳响应曲线和根系形态等。结果表明:在不同水分条件下玉米对氮素的生理响应过程不同。水分胁迫下根长和根系比表面积较充足供水处理显著增加,增幅分别为106.39%～208.82%和45.81%～105.85%,根干重在中度水分胁迫下降低23.94%～36.61%;此时增加施氮量尤其是高氮处理,玉米的根长和根系比表面积比水分胁迫下低氮处理显著降低41.85%～54.10%和18.68%,根干重比中度水分胁迫下低氮处理显著降低33.75%。因此,水分胁迫下施氮加剧了根际的水分胁迫,造成根水势下降,进而影响地上部分叶片的气孔导度(G_s)及二氧化碳和光的利用效率。水分胁迫和施氮处理均影响玉米叶片的光和CO_2响应曲线,水分处理的影响更显著。相同施氮水平下,随着水分胁迫程度的加剧,光响应曲线参数暗呼吸速率(R_d)、最大净光合速率(A_(max))和饱和光强(Q_(sat))以及CO_2响应曲线参数初始羧化效率(a)、光呼吸速率(R_p)、光合能力(A_(max))和高氮条件下的饱和胞间CO_2浓度(C_(isat))均呈下降趋势,前者参数变化显著,而且中度水分胁迫下,增加施氮量进一步降低了这些参数,即水分胁迫下氮素进一步抑制了植株的光合性能;同时,中度水分胁迫下叶片G_s和光合速率(A_n)分别显著降低32.37%～51.97%和41.85%～56.14%,而中度水分胁迫下增加施氮量尤其是高氮处理可以使G_s和A_n较低氮处理分别降低35.81%和30.71%。水分胁迫促进根长和根系比表面积增加,而水分胁迫下,增施氮肥不仅未缓解水分胁迫,反而抑制根长和根系比表面积的增加,加剧了根系的水分胁迫,造成根水势降低,进而影响了地上部分叶片的G_s,并削弱了叶片的光合性能即降低了对CO_2和光能的利用能力,这些气孔和非气孔因素最终抑制了光合作用,导致光合碳同化能力降低,影响了根系生物量的积累。     

异质Cd胁迫对蚕豆和富集植物续断菊根系生长的影响

为了研究蚕豆和续断菊根系对异质Cd胁迫的生态学响应,探讨间作体系影响Cd累积的根系可塑性机理,以蚕豆和Cd富集植物续断菊为试验材料,设置异质Cd胁迫根箱模拟试验,将根箱平均分为左、右两室,分别填充Cd处理(50 mg·kg-1)土壤和无Cd土壤,分别测定蚕豆和续断菊的根长、根表面积、根体积等形态指标,比较异质Cd胁迫对蚕豆和续断菊根系生长影响的差异。结果表明,异质Cd胁迫下,蚕豆的根长、根表面积、根体积表现为无Cd右室大于Cd胁迫左室,续断菊表现为Cd胁迫左室大于无Cd右室。蚕豆根系直径为0～0.5 mm、土壤深度为15～20 cm时,无Cd右室根长、根表面积和根体积是Cd胁迫左室的4.63、3.14倍和2.39倍;根系直径为0.5～1 mm和大于1 mm、土壤深度为30～35 cm时,无Cd右室根长分别是Cd胁迫左室的1.69倍和5.04倍,根表面积分别是Cd胁迫左室的1.78倍和5.05倍,根体积分别是Cd胁迫左室的1.85倍和33.00倍。续断菊根系直径为0～0.5 mm、土壤深度为0～5 cm时,Cd胁迫左室根长、根表面积和根体积是无Cd右室的1.66、1.36倍和1.57倍;根系直径为0.5～1 mm、土壤深度为35～40 cm时,Cd胁迫左室根长、根表面积和根体积是无Cd右室的2.86、2.16倍和2.81倍;根系直径大于1 mm、土壤深度为15～20 cm时,Cd胁迫左室根长、根表面积和根体积是无Cd右室的26.94、52.26倍和139.33倍。综上结果表明Cd胁迫抑制了蚕豆根系的生长,促进了续断菊根系的生长,这可能是蚕豆和续断菊间作模式修复Cd污染土壤的机理之一。     

The HSP terminator of Arabidopsis thaliana induces a high level of miraculin accumulation in transgenic tomatoes

High-level accumulation of the target recombinant protein is a significant issue in heterologous protein expression using transgenic plants. Miraculin, a taste-modifying protein, was accumulated in transgenic tomatoes using an expression cassette in which the miraculin gene was expressed by the cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter and the heat shock protein (HSP) terminator (MIR-HSP). The HSP terminator was derived from heat shock protein 18.2 in Arabidopsis thaliana . Using this HSP-containing cassette, the miraculin concentration in T0 transgenic tomato lines was 1.4-13.9% of the total soluble protein (TSP), and that in the T1 transgenic tomato line homozygous for the miraculin gene reached 17.1% of the TSP. The accumulation level of the target protein was comparable to levels observed with chloroplast transformation. The high-level accumulation of miraculin in T0 transgenic tomato lines achieved by the HSP terminator was maintained in the successive T1 generation, demonstrating the genetic stability of this accumulation system.     

转CBF1基因增强水稻的耐逆性

为改良水稻(Oryza sativaL.)的耐逆性,以来源于成熟种子的胚性愈伤组织为受体材料,通过农杆菌介导法将拟南芥(Arabidopsis thaliana)耐逆相关CBF1基因导入粳稻品种秀水11基因组,经GUS组织化学染色、PCR检测和Southern杂交分析验证,获得一批转基因植株。T1代检测结果显示,所转基因已遗传给后代,且大多数株系的分离比符合3∶1。试验表明,在高盐与高渗胁迫下,转基因株系较非转化对照具有显著或极显著生长优势,表现苗高负增长率较小,长出的根数较多,根长较长;经低温胁迫处理后,转基因株系的叶片相对电导率显著或极显著低于对照。这些结果证明水稻转基因株系的耐逆性得到了增强。     

LRR-RLKs亚家族基因RLK6在拟南芥开花过程中的作用

为研究LRR-RLKs亚家族基因RLK6(AT2G26730)在拟南芥生长发育过程中的作用,本研究构建了植物过表达载体p Super1300-RLK6,获得5个过表达突变体,其中2个独立株系(OE8,OE9)用于表型分析。通过对野生型(WT)、RLK6基因缺失突变体(rlk6-2、rlk6-3和rlk6-6)、过表达株系OE8和OE9生长发育过程的详细观察和分析发现,RLK6基因缺失突变体在整个生长发育过程中的表型与WT差异不明显,而过表达株系OE8和OE9比WT开花早。此外,利用实时定量PCR(qRT-PCR)检测各基因型植株中开花相关基因的表达情况,结果表明,相对于WT,OE8和OE9中的开花促进基因CO、SOC1和LFY的表达量显著升高,而开花抑制基因FLC的表达量显著下降。研究结果说明RLK6过表达促进了拟南芥的开花,这为后续深入研究RLK6的作用机制奠定了基础。     

高温与空气湿度交互对花期番茄植株水分生理的影响

以番茄品种“金冠5号”为试材,在人工气候箱内进行正交试验,设计日最高气温（℃）/最低气温（℃）分别为32/22、35/25、38/28、41/31共4个温度处理水平,空气相对湿度分别为50%±5%、70%±5%、90%±5%,处理天数为3、6、9、12d,并以28/18、50%±5%为对照（CK）,测定不同处理下番茄苗叶片生理指标的变化。结果表明：在32～41℃高温处理下,叶片气孔导度Gs、蒸腾速率Tr在日最高气温35℃时最高,分别为0.109μmol·m-2·s-1、0.21μmol·m-2·s-1;叶水势ψw、根系活力Rv、根冠比R/S、净光合速率Pn和水分利用效率WUE均随胁迫温度的升高而逐渐降低,日温41℃时较CK降低163.76%、66.63%、28.59%、73.90%和65.11%。高温条件下提高湿度至70%后,ψw、Gs、Pn、Tr和WUE分别较50%处理均有显著提高,且可以在28d内基本恢复至CK水平,在恢复期内根系恢复良好且保持较高WUE;但湿度提高至90%后,Gs和ψw有所上升,而Pn、Rv、R/S、WUE未能显著提高,且在恢复期内WUE较低。故在35℃及以上的高温环境中,提高空气湿度至70%可有效降低高温对番茄的危害,也有利于番茄灾后恢复。     

胡杨PeAPY1和PePY2在提高植物抗旱耐盐性上的功能解析

胡杨（Populus euphratica Oliv.）是典型的抗旱耐盐树种,广泛用于干旱盐碱地带的造林绿化。本实验室前期研究结果表明,盐胁迫下胡杨腺苷三磷酸双磷酸水解酶（Apyrase）基因（PeAPY）的转录水平上调,表明该基因可能在胡杨的抗盐性功能上发挥作用。已有研究证明APY是水解eATP的关键酶,而eATP是植物细胞重要的信使分子,调控植物的生长发育及抗性反应。本研究以PeAPY过表达拟南芥株系、拟南芥apy1、apy2突变体和野生型拟南芥为实验材料,分析了胡杨PeAPY对植物抗旱和耐盐能力的影响。研究结果表明,PeAPY1和PeAPY2转基因株系的抗旱性明显提高,这可能与PeAPY1和PeAPY2过表达减少了叶片表皮的气孔密度,降低了叶片的失水速率,从而提高了植株的保水能力有关。此外,我们还发现PeAPY1和PeAPY2转基因株系耐盐能力有所提高：在盐胁迫条件下,过表达PeAPY1和PeAPY2转基因植物的种子萌发率和生长、成活率均明显高于突变体apy1、apy2和野生型拟南芥（NaCl处理的浓度分别为0,50 mmol/L,100 mmol/L,150 mmol/L,200 mmol/L）。这可能是由于盐处理条件下,PeAPY通过降低盐诱导的eATP浓度,阻止了eATP诱导的细胞凋亡。综上所述,胡杨PeAPY的过表达能够提高植物对盐胁迫、干旱胁迫的耐受性,PeAPY对eATP浓度调控及其对植物抗逆性的具体机制有待进一步研究。     

转玉米ZmMPK7基因烟草响应高盐胁迫的光合特性和抗氧化酶系统分析

以烟草NC89品种野生株系(WT)和转玉米ZmMPK7基因株系为材料,在NaCl胁迫条件下,对其光合特性和抗氧化酶活性进行分析,以探讨转ZmMPK7基因烟草的耐盐性。结果表明,随盐胁迫加重,转基因烟草植株比野生型具有更高的净光合速率(Pn)、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）和叶绿素含量（Chl）,并且转ZmMPK7基因株系能提高烟草叶片抗氧化酶活性,诱导抗氧化酶 (SOD、APX、CAT和POD)活性之间协调变化。与野生型相比,转基因烟草植株MDA含量及电解质外渗量较低,膜脂过氧化较轻,其耐盐性得到改善。     

拟南芥CycD2基因在水稻中的表达及初步分析

细胞周期蛋白CycD2基因是在拟南芥（Arabidopsis thaliana）基因组中发现的，对调节细胞周期具有重要作用的调控因子。研究利用RT-PCR技术由拟南芥幼苗mRNA扩增了CycD2基因，构建了超量表达载体并对单子叶植物水稻（Oryza sativa ssp. japonica）进行了转化。对获得的转基因植株进行半定量RT-PCR分析表明，CycD2 mRNA的确能够在水稻中积累。超量表达CycD2的转基因水稻植株在发育早期生长与发育加快，表现为幼苗植株根长和株高均显著高于对照（转空载体植株），加快了水稻的生长速率。     

低氮胁迫下水稻根系的发生及生长素的响应

采用水培实验,研究了5个氮(N)浓度下(0.01～5 mmol L-1)水稻的生物量、体内氮浓度、根系发育、体内生长素浓度以及生长素外流蛋白OsPIN家族基因的表达情况。结果表明,与正常供氮水平(2.5mmol L-1)相比,低氮(0.01 mmol L-1)胁迫下水稻根冠比增加28%,地上部全氮浓度降低约20%,根系全氮浓度降低约33%,种子根长度增加25%,种子根上的侧根密度降低26%,倒一叶中的生长素含量增加140%,而根茎结合处和根系的生长素浓度分别下降22%和60%;RT-PCR的结果表明,低氮(0.01 mmol L-1)胁迫下水稻根系中OsPIN1a-b、OsPIN2、OsPIN5a-b和OsPIN9基因表达显著下调;而外源生长素α-萘乙酸(NAA)和生长素极性运输抑制剂1-萘氨甲酰苯甲酸(NPA)的施加均能影响到水稻种子根长和种子根上的侧根密度。由此推论,低氮胁迫下水稻体内生长素从倒一叶到根系极性运输减少是水稻根系对低氮胁迫响应的生理机制之一。