酵母耐盐相关基因HAL1在棉花中的功能表达

【目的】克隆酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）耐盐基因HAL1（halotolerance）并转化棉花,探究该基因在棉花中的功能,进一步探究酵母耐盐相关基因在高等植物中的具体功能。【方法】根据NCBI核酸数据库中酵母耐盐基因HAL1的mRNA全长序列信息,利用RT-PCR技术从酿酒酵母As2.375中克隆该基因。选择酶切位点XbaⅠ和SmaⅠ对表达载体pBI121::GFP进行双酶切,采用In-Fusion技术构建pBI121-ScHAL1::GFP融合表达载体。以自发荧光较弱的陆地棉品种Y-2067、ZA-23、GZ-2的花粉为材料,用基因枪轰击棉花花粉进行瞬时表达研究。采用基因枪活体转化技术将外源基因表达载体pBI121-HAL1::GFP转化棉花盐敏感材料中s9612,获得T0棉花转基因种子。用100 mmol·L^-1 NaCl盐溶液对转基因T0种子进行耐盐性发芽试验,并进行分子检测,对鉴定出的转基因植株进行叶盘耐盐性分析。【结果】从酿酒酵母As2.375中克隆耐盐基因ScHAL1,基因全长885 bp,共编码294个氨基酸。对其序列进行分析,发现HAL1蛋白中丝氨酸所占比例最大,整个蛋白呈碱性且带正电,属于亲水性蛋白。根据蛋白二级结构预测结果,推测该蛋白的结构功能域可能主要由无规则卷曲和β-折叠片构成。棉花花粉瞬时表达结果表明,转化HAL1后,3种陆地棉花粉的绿色荧光现象都明显增强,说明该基因可以在这3种陆地棉的花粉中表达。用100 mmol·L^-1 NaCl盐溶液对转基因棉花T0种子和受体材料中s9612自交种进行胁迫,发现转基因种子萌发能力明显强于受体材料,表明HAL1可以提高种子耐盐性。根据基因核苷酸序列设计2对引物对T0转基因棉花幼苗进行分子检测,将纯化后的PCR产物进行直接测序,测序结果证明转基因成功。对鉴定出的转基因植株进行叶盘耐盐性分析发现,在600 mmol·L^-1 NaCl和400 mmol·L^-1 NaCl盐胁迫下转基因植株叶盘叶绿素含量均高于对照植株,且在600 mmol·L^-1 NaCl溶液胁迫后,转HAL1植株叶绿素含量反而高于400 mmol·L^-1 NaCl溶液处理后的叶盘。【结论】成功从酿酒酵母中克隆基因HAL1,酵母HAL1对提高棉花耐盐性具有重要作用。     

大豆水杨酸结合蛋白基因GmSABP2的克隆及功能分析

【目的】对大豆（Glycine max）水杨酸结合蛋白基因GmSABP2进行克隆与表达分析,并转化拟南芥进行耐盐、耐干旱分析,进一步了解该基因耐盐、耐干旱的分子机制。【方法】以拟南芥SABP2为探针,搜索大豆基因组数据库,从中挑选出同源性最高的序列,将其命名为GmSABP2。利用电子克隆技术,从大豆叶子中克隆得到大豆水杨酸结合蛋白基因GmSABP2。通过DNAMAN程序进行氨基酸的多序列比对,利用NCBI的CD-search进行氨基酸的保守结构域分析,应用MEGA程序进行系统进化树分析。对大豆幼苗进行盐和干旱胁迫处理来分析其在胁迫下的表型变化。通过Real time-PCR分析大豆幼苗在盐和干旱处理条件下GmSABP2的表达特性。利用Gateway技术构建植物表达载体pEarleyGate103-GmSABP2,转入根癌农杆菌EHA105,利用蘸花法侵染拟南芥,经抗性筛选得到转基因株系。对野生型植株和转基因植株进行盐和干旱胁迫处理,并统计在胁迫条件下两者的种子萌发率、主根长和成熟植株的存活率。【结果】克隆得到GmSABP2的cDNA序列,序列全长1 235 bp,其开放阅读框为786 bp,编码261个氨基酸,分子量为29.15 kD,等电点为5.58。氨基酸序列比对发现大豆和毛白杨、可可以及烟草相似度较高。利用NCBI的CD-search发现大豆SABP2序列中存在一个Abhydrolase_6（pfam：12697）水解酶保守结构域。大豆SABP2蛋白属于α/β水解酶超家族。应用MEGA程序构建多物种的系统发生树,发现大豆和毛白杨及可可亲缘关系较近,而与拟南芥亲缘关系较远。对大豆幼苗胁迫后的表型分析发现,在盐和干旱条件下大豆幼苗均受到明显的胁迫效应。Real time-PCR分析表明大豆幼苗叶子中的GmSABP2在盐和干旱处理条件下均上调表达。拟南芥耐逆性分析发现,在正常培养条件下,野生型植株和转基因株系均能正常萌发、生长。在高盐（150 mmol·L^-1 NaCl）处理条件下,野生型植株的种子萌发率为38%,12 d大小幼苗主根长为0.4 cm,成熟植株的存活率为49%;转基因株系的种子萌发率为67%,12 d大小幼苗主根长为1.1 cm,成熟植株的存活率为78%。在模拟干旱（20% PEG6000）处理条件下,野生型植株的种子萌发率为31%,12 d大小幼苗主根长为0.5 cm,成熟植株的存活率为36%;转基因株系的种子萌发率为57%,12 d大小幼苗主根长为1.0 cm,成熟植株的存活率为66%。【结论】GmSABP2在拟南芥植株对盐和干旱的抗性中有一定的作用。     

茶花新品种‘玫玉’耐盐性初探

以2年生茶花新品种‘玫玉’盆栽苗为材料,设置0、50、100、200、400 mmol·L^-1NaCl的盐浓度进行盐胁迫试验,研究盐胁迫对茶花的相对生长量、盐害情况及光合特性的影响。结果表明,随着NaCl浓度的提高,茶花幼苗新梢的生长受到了抑制,且浓度越高,抑制作用越明显,50 mmol·L^-1 NaCl处理后植株的相对生长量与其他3个处理存在显著性差异（p<0.05）;盐害指数和盐害率则随着盐浓度的增加而增加,其中50 mmol·L^-1 NaCl处理的植株在处理28 d后,相对生长量为65%,盐害指数为22.2%,植株生长状况良好,且慢慢适应了低盐环境。茶花的光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）以及气孔导度（G_s）均随NaCl浓度的提高而降低,并与CK存在显著差异;NaCl胁迫下,气孔限制因素在50 mmol·L^-1 NaCl胁迫时起主导作用,而在100、200、400 mmol·L^-1 NaCl胁迫时,气孔限制因素和非气孔限制因素共同起作用。     

不均匀盐胁迫对紫花苜蓿生长特性的影响

【目的】土壤中的盐分通常存在不均匀分布的现象。已有的研究发现与均一盐胁迫环境相比,不均匀盐胁迫可以缓解盐分对植物的伤害。研究旨在了解植物对不均匀盐分胁迫的响应,作为对均匀盐分下植物生理的一个重要补充,为扩大盐碱地的利用和栽培管理措施提供参考依据。【方法】采用分根装置将紫花苜蓿（Medicago sativa）的根系分为两部分,设置无盐胁迫（0/0,各半根系所处环境NaCl浓度均为0）、半边根系环境NaCl浓度为0的不均匀盐胁迫系列（0/S：0/100、0/150、0/200和0/250）、半边根系NaCl浓度为50 mmol·L^-1的不均匀盐胁迫系列（50/S：50/100、50/150、50/200和50/250）以及两半根系环境NaCl浓度相同的均一盐胁迫系列（S/S：50/50、100/100、150/150、200/200和250/250）处理(“/”两边数值代表各半根系所处环境的盐胁迫状况,以NaCl浓度mmol·L^-1表示)。处理15 d后测定其植株生长速率、生物量、水分吸收、钠、钾离子浓度、丙二醛含量等指标,了解不同盐胁迫环境对紫花苜蓿生长的影响。【结果】盐胁迫抑制紫花苜蓿生长,植株生长速率、生物量、水分吸收下降,叶绿素含量降低,脯氨酸含量升高,膜质过氧化程度加大,叶片Na⁺浓度升高,K⁺浓度降低,表现为较低的K⁺/Na⁺。而不均匀盐胁迫0/S与50/S处理与均匀高盐处理S/S相比,植株生长速率和地上生物量分别增加了57.05%-369.34%和15.47%-42.57%,Na⁺浓度降低了15.85%-55.93%,缓解了Na⁺的毒害作用。且不均匀盐胁迫下70%-92%的水分吸收来自于无盐或低盐胁迫一侧根系,增加了整株植物的水分吸收。【结论】不均匀盐胁迫处理与均匀的高盐胁迫处理相比,增加了紫花苜蓿叶绿素含量,降低了膜质过氧化程度,通过调控Na⁺与K⁺的吸收维持叶片中相对较高的K⁺/Na⁺,并且无盐和低盐胁迫一侧根系表现出补偿性吸水和补偿性生长,进而促进了植物生长,增加了地上和地下生物量。在一定的浓度范围内,与均匀的高盐胁迫处理相比,不均匀盐胁迫环境下植株根系所处环境的盐分浓度差异越大其对盐害的缓解作用越显著。     

酸浆生长生理及光合特性对NaCl胁迫响应机制的研究

以大黄姑娘品种为试材,设置6个浓度梯度(0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mol·L^-1)的NaCl溶液模拟盐胁迫,以清水为对照,在智能温室内进行盆栽实验,测定了酸浆的植株生长量、生理及光合指标,探究其对NaCl胁迫的响应机制。结果表明:在NaCl胁迫下,酸浆的株高、茎粗的生长量表现为先缓慢降低再显著下降。叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量及保护酶活性随NaCl的增加均呈先升高再降低的趋势。叶绿素指标在0.05 mol·L^-1 NaCl处理下达到最高;POD、SOD、CAT活性均在0.15 mol·L^-1 NaCl处理下达到最高,而APX活性在0.10 mol·L^-1 NaCl处理下最高。低浓度的NaCl胁迫促进酸浆光合作用,其净光合速率在0.10 mol·L^-1 NaCl处理下最大,叶片气孔导度、蒸腾速率均在0.05 mol·L^-1 NaCl处理下最大。随着胁迫的加重,数值开始降低。在此期间,胞间CO₂浓度一直下降,而气孔限制值一直呈增加趋势,表明从NaCl浓度达到0.10 mol·L^-1以上时,气孔限制是光合作用的主要限制因素。     

过表达酵母PAC1增强转基因大豆对大豆花叶病毒的抗性

【目的】大豆花叶病毒（soybean mosaic virus,SMV)病是中国大豆产区最主要的病害之一,严重影响大豆产量和籽粒品质。核糖核酸酶PAC1能够识别和降解植物RNA病毒或类病毒复制过程中产生的dsRNAs,从而有效抑制病毒在寄主中的复制与积累。PAC1的这一特点为广谱抗RNA病毒及类病毒转基因作物的创制和培育提供了有效的靶标基因。本研究利用转基因技术,将来源于粟酒裂殖酵母菌(Schizosaccharomyces pombe)的PAC1导入栽培大豆,研究过表达PAC1对大豆SMV抗性的影响,为抗SMV转基因大豆新品种选育提供依据。【方法】采用酶切连接技术,将PAC1连接到双元表达载体pCAMBIA3300中,构建植物表达载体pCAMBIA3300-PAC1。目的基因启动子为组成型强启动子CaMV 35S,终止子为NOS,筛选标记为草铵膦抗性基因BAR。采用农杆菌介导转化法,将PAC1导入栽培大豆品种Williams82。在利用PAT/BAR试纸、PCR及除草剂（500 mg·L^-1 Basta）喷施检测基础上,通过Southern杂交技术进一步分析外源基因在转基因大豆中的整合情况和拷贝数。采用人工摩擦接种法,对T₂和T₃代转基因大豆株系进行田间抗SMV鉴定农艺性状调查,分析转基因大豆对SMV抗性及遗传稳定性。并利用qRT-PCR技术分析接种SMV 28 d后转基因大豆中SMV积累水平。【结果】共转化2 600多个外植体,获得耐草铵膦（5 mg·L^-1）大豆再生植株76株。PCR检测结果表明,其中65株能够扩增出目的条带,大豆遗传转化效率为2.48%。对T₁-T₃代转基因大豆株系喷施除草剂表明,在500 mg·L^-1 Basta处理7 d后,转基因植株表型没有明显变化,而对照（非转基因大豆）植株叶片则黄化枯死。Southern杂交结果表明,外源基因以低拷贝的方式(1-2个)整合至大豆基因组中。摩擦接种SMV SC-3鉴定表明,在接种35 d后,对照出现严重花叶、皱缩等典型SMV发病症状,而转基因大豆仅部分叶片表现出轻微的花叶症状,其病情指数降低至11.11-22.22,较对照（病情指数36.81-46.24）显著降低,且SMV抗性在转基因大豆不同代际间能够稳定遗传。qRT-PCR分析表明,在接种SMV SC-3株系28 d后,转基因大豆中SMV CP表达水平较对照极显著下降。农艺性状调查表明,在未接种SMV条件下,转基因大豆在叶形、花色、种皮色、种脐色、株高、节数、结荚高度、生育期及百粒重等方面与对照没有显著差异。【结论】PAC1过表达显著抑制了SMV的积累及症状发展,增强了转基因大豆对SMV的抗性水平。     

盐胁迫对不同倍性金银花光合特性的影响

【目的】研究四倍体和二倍体金银花叶片光合作用对盐胁迫的响应,特别是盐胁迫对PSⅠ和PSⅡ性能以及协调性的影响,比较盐胁迫下叶片光合特性的差异,分析盐胁迫对叶片Na⁺、Cl^-和丙二醛含量以及叶片生物量的影响,揭示不同倍性金银花耐盐胁迫的能力,为盐碱地栽培品种的选择提供参考。【方法】选用四倍体和二倍体金银花为试验材料,采用叶绿素荧光快速诱导动力学曲线和820 nm光反射曲线同步测定技术,结合气体交换参数,研究中度（150 mmol·L^-1 NaCl）和重度（300 mmol·L^-1 NaCl）盐胁迫对四倍体和二倍体金银花叶片光合作用和光合机构的影响。金银花植株定植于装有石英砂的塑料盆中,Hoagland营养液培养。营养液中加入NaCl用于盐处理,每天递增50 mmol·L^-1到达处理浓度（150和300 mmol·L^-1）,处理持续15 d。以不加入NaCl的营养液培养对照植株。盐处理过程中选取枝条中部全展的叶片用于指标测定。【结果】中度盐胁迫下,四倍体和二倍体金银花叶片光合速率、气孔导度和胞间CO₂浓度显著降低,但四倍体下降幅度小于二倍体,说明中度盐胁迫下光合速率的降低是由气孔限制引起的,四倍体叶片光合作用受气孔限制程度较小。重度盐胁迫下,四倍体和二倍体金银花叶片光合速率也显著降低,但四倍体下降幅度小于二倍体,能维持较高的光合活性。重度盐胁迫7 d后,二倍体金银花叶片Rubisco酶的活化状态和羧化效率显著降低,诱发PSⅡ光抑制,降低向PSⅠ电子传递的量子产额。因此,PSⅠ的还原受到抑制,820 nm光反射曲线应该显示PSⅠ氧化幅度增加。但结果相反,PSⅠ氧化幅度却显著降低。重度盐胁迫下,二倍体金银花叶片PSⅠ也发生了光抑制,不能有效推动电子向PSⅠ受体侧传递,抑制了PSⅠ的氧化,而PSⅠ光抑制程度高于PSⅡ,导致PSⅠ氧化幅度显著降低,破坏了PSⅡ与PSⅠ的协调性。重度盐胁迫15 d后,四倍体金银花叶片Rubisco酶活化状态和羧化效率显著下降,但下降幅度小于二倍体金银花,PSⅡ和PSⅠ的性能未受显著影响,维持了PSⅡ和PSⅠ的协调性。因此,相对于二倍体,四倍体金银花叶片在重度盐胁迫下也具有较高的光合活性。盐胁迫15 d后,二倍体金银花叶片Na⁺、Cl^-和丙二醛含量显著增加,整株叶片干重显著降低,其变化幅度大于四倍体金银花,说明四倍体金银花受离子毒害的影响较轻,这可能是其在盐胁迫下维持较高光合性能的原因。【结论】盐胁迫下,四倍体金银花叶片能维持较高的气孔导度和Rubisco酶的活化状态,保持了PSⅡ和PSⅠ的协调性,因而具有较高的光合活性,能够积累较多的生物量。因此,四倍体金银花耐盐胁迫的能力强于二倍体,更适于盐碱地栽培。     

紫花苜蓿盐诱导类受体蛋白激酶基因MsSIK1的克隆及功能分析

【目的】对紫花苜蓿（Medicago sativa L. cv. Zhongmu-1）stress-induced protein kinase gene 1（MsSIK1）进行克隆与表达研究,了解该基因的分子机制及其应用。【方法】以紫花苜蓿叶片总RNA为模板,根据同源克隆设计简并引物,利用RT-PCR结合RACE技术,获得MsSIK1的编码序列。利用同源性比对进行序列分析。通过SMART网站（http://smart.embl-heidelberg.de/）模拟该基因的蛋白结构。构建MsSIK1的亚细胞定位瞬时表达载体,使用基因枪转化法将MsSIK1与GFP在洋葱表皮细胞中融合瞬时表达并观察其亚细胞定位荧光信号。通过Real time-PCR分析MsSIK1在NaCl、ABA和干旱处理条件下的表达特征。利用农杆菌侵染方法获得转基因拟南芥植株,通过RT-PCR对转基因植株进行表达鉴定,获得转基因植株后,利用转基因株系进行盐处理进而对成苗期转基因拟南芥性状鉴定。在盐胁迫处理下,测定野生型与转基因株系的叶绿素含量、MDA含量进而验证该基因的抗盐功能。【结果】获得MsSIK1编码序列2 478 bp,编码825个氨基酸。该蛋白C端与多种植物激酶具有相当高的同源性,模拟蛋白结构发现该基因具有类受体蛋白激酶高度保守的丝氨酸/苏氨酸结构域、跨膜结构域和富含亮氨酸重复序列的膜外结构域。Real time-PCR分析表明该基因在NaCl、ABA和干旱处理条件下上调表达,其中在盐处理条件下,MsSIK1表达先升高后降低,在处理4 h时达到最大值（约为对照值的7倍）。在干旱胁迫处理时,MsSIK1受诱导表达增强明显,当处理2 h时表达量达到最大值（约为对照值的6倍）;ABA处理时,MsSIK1被诱导表达明显,当处理3 h时表达量达到最大值,约为对照值的6.8倍。MsSIK1与GFP融合瞬时表达的洋葱表皮细胞中的荧光信号主要集中于质膜附近,转化空载体的洋葱表皮细胞中的荧光信号分布于细胞各个部位。转基因植株的RT-PCR鉴定表明,T₁代6个株系中所得到的MsSIK1条带明显、亮度高,且T₁-10中表达量最高;但在野生型中检测不到该条带,说明外源基因已经整合到拟南芥染色体中并能遗传到子代。成苗期转基因拟南芥盐处理后发现T₃-2、T₃-6、T₃-10转基因株系较野生型植株长势好,说明MsSIK1的转入提高了拟南芥的抗盐性。与对照相比,转MsSIK1拟南芥在NaCl处理下,叶绿素含量下降较少,其中,野生型叶绿素含量降低了77%,T₃-3降低了53%,T₃-6降低了44%,T₃-10降低了35%;同样盐胁迫下,3个转基因株系的MDA含量积累较少,其中,野生型MDA的含量是T₃-10株系的1.3倍。【结论】MsSIK1作为一个类受体蛋白激酶受多种逆境胁迫诱导,该基因的过量表达提高了拟南芥的抗盐性。     

衣藻和固氮鱼腥藻对盐胁迫下小麦幼苗生长的影响

以小麦为试验材料,研究了向土壤中添加衣藻(Chlamydomonas debaryana Gor.)、固氮鱼腥藻(Anabaena azotica Ley.)或其混合藻液对盐胁迫下小麦幼苗生长的影响。结果表明:50 mmol·L^-1 NaCl可以促进小麦茎长和根长的生长,但在100、200 mmol·L^-1 NaCl处理下,小麦生长受到抑制,茎长、根长、鲜质量、叶绿素含量和光系统Ⅱ最大光化学效率(F_v/F_m)值下降。添加微藻藻液可以缓解盐胁迫对小麦生长的抑制作用,提高盐胁迫下小麦的茎长、根长、鲜质量、叶绿素含量和光合作用效率,增强其抗氧化酶——超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性来清除活性氧,从而提高小麦的耐盐性。     

紫花苜蓿NAC类转录因子基因MsNAC2的克隆及其功能分析

【目的】NAC转录因子是植物特有的一类转录因子,N端含有一段高度保守、约150个氨基酸组成的NAC结构域,而C端为高度变异的转录调控区。NAC转录因子不仅参与植物生长发育的调控,而且在植物抗逆反应中具有重要的调控作用。作者从紫花苜蓿中克隆了一个NAC类转录因子基因MsNAC2,期望通过分析其DNA和氨基酸序列特征,阐明其在紫花苜蓿中响应非生物胁迫的表达模式,通过在烟草中过量表达鉴定其生物学功能,为进一步了解MsNAC2在紫花苜蓿中的耐逆调控机理提供试验基础,并为通过转基因技术改善紫花苜蓿抗逆力和提高其品质奠定研究基础。【方法】应用RT-PCR和RACE技术获得紫花苜蓿MsNAC2全长序列,并进行生物信息学分析。应用real-time PCR技术分析该基因在非生物胁迫下的时空表达特征。构建MsNAC2-GFP融合表达载体,进行基因表达的亚细胞定位分析。同时构建pBI121-MsNAC2植物超表达载体,通过农杆菌介导法转化烟草叶盘,比较逆境胁迫条件下野生型烟草和转基因株系的表型和生理指标,鉴定超表达MsNAC2对烟草耐逆能力的调控效应。【结果】MsNAC2全长1 358 bp,开放阅读框长度为1 023 bp,编码340个氨基酸,编码蛋白质分子量为39.4 kD,其N端含有典型的NAC保守结构域,C端高度变异。进化树聚类分析表明,该基因与脐橙CsNAC亲缘关系较近,属于NAC蛋白的ATAF亚家族。洋葱亚细胞定位分析表明MsNAC2定位于细胞核。转录水平表达分析表明MsNAC2受250 mmol·L^-1 NaCl、20% PEG6000、0.1 mmol·L^-1 ABA和4℃胁迫诱导而显著升高,并且MsNAC2在根中的表达量要明显高于在叶中的表达量。抗性试验结果显示,在NaCl、PEG和4℃冷害胁迫下,转基因烟草苗高、根长、鲜重和干重等生长指标均高于野生型。生理指标检测结果表明,在250 mmol·L^-1 NaCl、20% PEG6000和4℃处理24 h后,转基因烟草叶片丙二醛含量明显低于野生型烟草,分别为野生型的82.6%、73.2%和77.8%。脯氨酸含量高于野生型烟草,分别达1.52倍、1.72倍和2.24倍,且SOD和POD的活性均高于野生型烟草,分别为野生型的1.101倍、1.105倍、1.33倍和1.12倍、1.08倍及1.19倍。【结论】从紫花苜蓿中克隆了一个新的NAC转录因子基因MsNAC2,该基因能够对盐、冷害和干旱胁迫产生响应,与野生型烟草相比,过量表达MsNAC₂烟草具有较强的耐盐、抗旱和抵御寒冷的能力,说明该基因可能参与调控非生物逆境胁迫的生理响应。     

盐胁迫下苗期栽培大豆生理响应及Na~+动态平衡关键基因的表达

【目的】研究耐盐栽培大豆和盐敏感栽培大豆对盐胁迫的响应,特别是盐胁迫对大豆幼苗光合特性、离子含量及Na~+动态平衡相关基因表达的影响,通过比较盐胁迫下不同大豆品种的响应差异,揭示不同基因型大豆耐盐机制,为大豆栽培管理、耐盐品种的选育及人工调控提供理论参考。【方法】以耐盐栽培大豆(Y8D6008、Y8D6013)和盐敏感栽培大豆(Y8D6132、Y8D6136)为材料,选取长势一致的大豆幼苗于1/2×Hoagland营养液中培养,待第一片复叶完全展开时,营养液中加入Na Cl,每天递增50 mmol·L~(-1)到达处理浓度150 mmol·L~(-1),处理持续7 d。以不加Na Cl的1/2×Hoagland营养液作为对照,研究盐胁迫下大豆幼苗的光合特性、离子含量及Na~+动态平衡相关基因表达变化。【结果】150 mmol·L~(-1) Na Cl不同程度地抑制了4种大豆幼苗生长,同时显著降低SPAD值、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,但是Na Cl胁迫对盐敏感大豆影响程度显著高于耐盐品种;盐胁迫显著降低耐盐大豆的胞间CO2浓度,而盐敏感大豆与之相反,说明150 mmol·L~(-1) Na Cl处理下气孔限制是引起耐盐品种光合速率下降主要因素,而盐敏感品种光合速率下降主要因素是非气孔限制。对大豆植株的不同离子含量进行测定,发现盐胁迫下4种大豆叶片中Na~+积累均显著升高,盐敏感品种上升幅度显著高于耐盐品种,而K~+含量与Na~+含量的变化规律相反。盐敏感大豆叶片中磷含量(P)均受盐胁迫显著下降,而耐盐大豆叶片P在胁迫后略有增加。相关分析表明净光合速率变化幅度与叶片中Na~+、K~+和P含量变化幅度存在显著的相关性。对6个参与大豆植株体内Na~+动态平衡相关基因Gm SOS1、Gm Ncl1、Gm SALT3、Gm NHX1(离子通道基因)、Gm CIPK1(信号转导基因)和Gm AVP1(能量运输相关基因)相对表达量进行分析,发现盐胁迫后4种大豆的Gm Ncl1表达量均显著上调,盐敏感品种上调倍数高于耐盐大豆品种,这种表达变化与大豆的耐盐性具有一定的关联性,而其他5个基因表达量与大豆的耐盐性没有明显的关联性。【结论】与盐敏感大豆相比,耐盐大豆在盐胁迫环境条件下减少Na~+在叶片中的积累,保持相对较高的K~+和P含量,并维持相对较高的光合速率,这是耐盐大豆比盐敏感大豆具有较强耐盐特性的因素之一,另外Na~+动态平衡相关基因GmNcl1可能与大豆耐盐特性有一定关联性。     

异源表达irrE转基因烟草的耐盐耐旱性

【目的】IrrE是从耐辐射异常球菌中发现的全局调控蛋白,主要通过修复强辐射等逆境条件下DNA损伤,提高耐辐射异常球菌对极端逆境环境的抗性。研究按植物密码子优化的irrE后导入烟草对转基因烟草耐逆能力的提高,为棉花等作物耐逆育种研究打下基础。【方法】按照植物密码子优化细菌irrE并合成基因;通过酶切连接法构建irrE植物表达载体;通过叶盘法转化烟草并PCR验证获得阳性转基因再生苗;通过实时荧光定量PCR(q RT-PCR)分析转基因株系中irrE的表达量;通过蛋白免疫印迹法(Western blot)检测IrrE编码蛋白;通过NaCl和甘露醇模拟盐处理和干旱处理分析纯和转基因株系的耐盐耐旱性,通过测定抗逆相关生理指标鉴定其对植物耐逆的贡献。【结果】按照植物密码子对irrE进行改造,共优化了241个密码子;构建了高效植物表达载体GBI-IE;利用除草剂草甘膦作为筛选剂获得转基因再生幼苗,并通过PCR验证共获得15个独立的转基因株系;通过q RT-PCR分析从中选取两个表达量最高的株系GO1和GO2进行后续的抗逆性分析;Western blot验证IrrE编码蛋白在GO1和GO2中能正确翻译。转基因烟草耐盐耐旱性分析:种子萌发试验表明,正常1/2 MS培养基上,转基因株系GO1和GO2发芽率和非转基因野生型对照之间没有明显的差异。然而250 mmol·L~(-1)NaCl培养基上GO1和GO2萌发率分别为78.8%和90.0%,野生型仅为10.3%,分别提高了68.5%和79.7%。类似地,300 mmol·L~(-1)甘露醇条件下,野生型的萌发率为39.7%,转基因株系GO1和GO2分别提高了42.9%和50.8%;正常萌发的种子移栽到250 mmol·L~(-1) NaCl和300 mmol·L~(-1)甘露醇条件12 d后,转基因株系根长、侧根数以及鲜重等生理指标显著高于野生型对照;温室中正常生长30 d的苗期烟草在250 mmol·L~(-1) NaCl处理下,转基因烟草SOD、CAT活性比野生型对照分别提高了48.80%和88.55%,而MDA含量比野生型对照降低了61.61%,胁迫响应基因Nt ABF2、Nt LEA5、Ntzfp、Nt CDPK2在GO1和GO2转基因株系中表达量均显著高于非转基因野生型。和盐处理结果类似,300 mmol·L~(-1)甘露醇的处理下,转基因烟草的耐旱生理生化指标均优于非转基因对照。【结论】烟草中异源表达耐辐射异常球菌irrE可以显著提高耐盐耐旱性;其多效性耐非生物胁迫能力的提高表明其可作为植物耐逆基因工程的优良基因源。     

盐分不均匀分布对紫花苜蓿生长和离子特征的影响

【目的】土壤盐分浓度在空间上呈不均匀分布,研究不均匀盐胁迫对紫花苜蓿生长、水分吸收、光合作用以及根叶部位K~+和Na~+的影响,探讨紫花苜蓿适应根部不均匀盐胁迫的生理机制,为紫花苜蓿耐盐品种培育及改良盐碱地紫花苜蓿种植技术提供理论依据。【方法】通过水培法,将紫花苜蓿幼苗的根均匀分成两部分置于分根装置中,给予两侧根部相同或不同浓度的NaCl处理,设置对照(0/0)、低盐胁迫根部分别为0 mmol·L~(-1)NaCl(0/400)和100 mmol·L~(-1)NaCl(100/300)的不均匀盐胁迫处理和均匀的200 mmol·L~(-1)NaCl胁迫处理(200/200),处理7 d后取样分析。【结果】不均匀盐胁迫与均匀盐胁迫均抑制了紫花苜蓿生长,导致水分吸收减少、叶片Na~+浓度增加和叶片K~+浓度减少。然而,0/400处理紫花苜蓿地上部分鲜重、水分吸收分别比200/200处理提高了24.3%和44.2%,其叶片Na~+浓度比200/200处理降低了53.6%、叶片K~+浓度与200/200处理无显著差异。0/400处理0侧根部水分吸收比对照提高12.3%、Na~+浓度是对照的10.5倍、K~+浓度与对照无显著差异。100/300处理紫花苜蓿地上部分鲜重、整株水分吸收、叶片K~+浓度均与200/200处理无显著差异。100/300处理叶片Na~+浓度比200/200处理提高了31.0%。100/300处理100侧根部水分吸收比对照降低了33.9%、Na~+浓度是对照的39.5倍、K~+浓度比对照降低了31.3%。0/400、100/300与200/200的蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度无显著差异且均显著低于对照,而0/400的净光合速率与200/200无显著差异,均显著高于对照,100/300的净光合速率与对照无显著差异。【结论】紫花苜蓿根部平均盐分浓度为200 mmol·L~(-1)NaCl时,一侧根部NaCl浓度等于或高于其半致死浓度,另一侧根部NaCl浓度为0 mmol·L~(-1)时,不均匀盐胁迫缓解了根部高浓度盐胁迫对紫花苜蓿生长的抑制,当低盐胁迫根部NaCl浓度为100 mmol·L~(-1)时,不均匀盐胁迫不能够缓解根部高浓度盐胁迫对紫花苜蓿生长的抑制。     

海岛棉苗期盐胁迫下形态学和生理学指标变化

【目的】在300 mmol·L-1 Na Cl胁迫下,观察并测定海岛棉耐盐性强的品系越海9号和耐盐性弱的品系PS-7叶片、茎细胞解剖结构和生理学指标,从形态学和生理学两个水平研究海岛棉苗期响应盐胁迫的应答机制,为棉花耐盐材料的筛选提供理论依据和技术方案。【方法】采用水培方法,待棉苗生长至3叶期时,开始进行300 mmol·L-1 Na Cl胁迫处理。运用光学显微技术及生理学指标测定法,在不同Na Cl胁迫处理时间下,对海岛棉耐盐性强的品系越海9号和耐盐性弱的品系PS-7进行形态学观察及生理学指标分析。【结果】2份海岛棉材料对Na Cl胁迫的反应不同。随着300 mmol·L-1 Na Cl处理时间的延长,与对照相比,越海9号和PS-7的叶片和茎的横切面面积均显著变小,处理24 h时,分别变小14.10%、54.69%与45.30%、87.90%,PS-7的变化幅度大于越海9号;处理12 h时,PS-7维管束中木质部已经损害严重,越海9号维管束中木质部则没有明显变化;PS-7的栅栏组织细胞在处理24 h时由长圆柱形变为卵圆形,越海9号的栅栏组织细胞的形状则没有变化。生理学研究表明,越海9号叶片中的叶绿素含量、超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性在整个处理过程中均高于PS-7,而其丙二醛含量却明显低于PS-7;在300 mmol·L-1 Na Cl处理8 h时,越海9号和PS-7中的丙二醛含量、叶绿素含量、超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性均达到了显著性差异。【结论】叶片中栅栏组织和茎中木质部可能是海岛棉响应盐胁迫的最敏感部分,叶绿素、丙二醛、超氧化物歧化酶和过氧化物酶可作为鉴定耐盐棉花材料的生理学指标。     

谷子转录因子基因SibZIP42在拟南芥中对高盐和ABA的响应

【目的】分析谷子抗逆相关转录因子基因Sib ZIP42的特性和生物学功能,探讨Sib ZIP42提高植物耐盐性的调控途径,为作物抗逆分子育种提供新的候选基因。【方法】利用生物信息学方法分析谷子Sib ZIP42的特性:使用Clustal X 2.0和MEGA 5.05软件对谷子Sib ZIP42蛋白序列及其同源序列进行多序列比对,并构建系统进化树;从数据库Phytozome获取谷子Sib ZIP42上游2 000 bp作为启动子序列,在PLACE数据库对Sib ZIP42启动子顺式作用元件进行分析;使用Net Phos 2.0 Server数据库预测Sib ZIP42蛋白磷酸化位点;利用实时荧光定量PCR检测Sib ZIP42在不同胁迫条件下的表达模式;将Sib ZIP42与绿色荧光蛋白GFP融合表达,检测Sib ZIP42蛋白的亚细胞定位情况;构建植物表达载体p BI121-Sib ZIP42,转化拟南芥并检测转Sib ZIP42拟南芥的耐盐性及对ABA处理的敏感性。分析转Sib ZIP42拟南芥中ABA及脱水响应相关基因表达变化,分析Sib ZIP42调控植物耐盐性的作用机制。【结果】谷子Sib ZIP42全长546 bp,编码由181个氨基酸组成的亲水性蛋白,分子量约为20.3k D,基因编码区包含1个外显子;系统进化树分析表明该基因位于b ZIP基因家族的S亚组;Sib ZIP42与拟南芥Atb ZIP42序列同源性最高;启动子元件分析表明,Sib ZIP42包含ABRE、MYB、MYC等多种逆境胁迫应答相关元件;磷酸化位点分析结果显示Sib ZIP42含有14个丝氨酸、4个酪氨酸和1个苏氨酸磷酸化位点;实时荧光定量PCR结果显示,Sib ZIP42对多种非生物胁迫均有不同程度的响应,在高盐、干旱(PEG)和ABA处理条件下表达量明显上升,Sib ZIP42在根部的表达量显著高于在茎及叶子中的表达;亚细胞定位结果表明,Sib ZIP42蛋白定位于细胞核中;基因功能分析结果显示,在正常MS培养基上,野生型拟南芥WT和Sib ZIP42转基因拟南芥的萌发率基本一致,在Na Cl浓度为90、120和150 mmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥萌发率显著高于WT,在90 mmol·L~(-1) Na Cl处理条件下,转基因拟南芥的绿化率显著高于WT;在ABA浓度为0.5、1和2μmol·L~(-1)的MS培养基上,转基因拟南芥的绿化率显著低于WT;下游基因检测结果表明,HIS1-3、RD29B和RAB18等ABA胁迫响应相关基因以及脱水响应相关基因At PIP2A在转基因植株中表达量显著高于在WT中的表达,表明Sib ZIP42可能通过ABA信号途径提高植物对高盐胁迫的耐性。【结论】与WT相比,Sib ZIP42转基因拟南芥株系在种子萌发时期耐盐性显著提高。同时,在种子萌发后期Sib ZIP42转基因株系相比于WT对ABA处理的敏感性增强,Sib ZIP42可能通过ABA信号途径正向调控植物的耐盐性。     

大豆GmHAT5的克隆及其转基因百脉根的抗盐分析

【目的】从大豆盐胁迫基因表达谱中筛选并克隆得到同源异型域亮氨酸拉链蛋白(HD-Zip)家族基因GmHAT5,将其转化豆科模式植物百脉根并进一步探究其抗盐调控机制。【方法】使用多种生物信息学软件对GmHAT5的开放读码框(ORF)、编码蛋白的分子量、等电点、序列结构和蛋白定位等进行预测,同时将大豆GmHAT5蛋白与其他10个物种的同源蛋白进行比对分析,并对GmHAT5在大豆不同器官及盐胁迫下的表达特性进行分析。此外,构建GmHAT5的植物超表达载体,通过对发根农杆菌LBA1334的转化,得到"复合体"百脉根植株,并在盐胁迫条件下对其进行抗盐表型分析;通过对根癌农杆菌EHA105的转化,获得百脉根的稳定转化株系,并对其进行抗盐表型分析及相关生理指标检测。【结果】多种生物信息学软件分析表明,该片段包含1个1 038 bp的ORF,编码345个氨基酸。GmHAT5的理论分子量和等电点分别为39.17 k D和4.63。GmHAT5蛋白定位于细胞核,与其他HD-Zip家族蛋白一样,属于典型的核蛋白。序列分析表明,GmHAT5包含一个同源异型结构域和一个亮氨酸拉链结构域,属于第I类同源异型域亮氨酸拉链蛋白。同源蛋白比对表明其与野生大豆GsHAT5同源性最高。基因表达特性分析表明,GmHAT5在大豆植株的各个不同器官中均有表达,是一个受盐诱导上调表达的HD-Zip类转录因子。发状根转化的结果表明,使用200 mmol·L~(-1) NaCl处理植株7 d后,"复合体"植株生长状态良好,对照组植株叶片明显萎蔫、失绿;不同NaCl浓度处理离体转基因发状根14 d后,对照组较试验组发状根明显干枯、生长受到抑制。稳定转化结果显示,不同盐浓度处理14 d后,转GmHAT5百脉根与两组对照植株相比生长状态更好。相关生理指标检测结果显示,与两组对照相比,转基因百脉根植株中丙二醛含量和相对质膜透性明显降低(P0.05),而叶绿素含量和根系活力则显著升高(P0.05)。测定不同植株阳离子含量的结果表明,转基因百脉根株系与两组对照相比,Na~+在叶片和根中含量显著下降,K~+和Ca~(2+)在叶片和根中含量显著升高。【结论】从大豆中克隆得到一个编码HD-ZipⅠ类同源异型域亮氨酸拉链蛋白基因GmHAT5,该基因在大豆中受盐胁迫诱导表达量显著升高。超量表达GmHAT5显著增强百脉根的耐盐能力,发状根转化法可以作为一种快速有效筛选抗盐候选基因的手段。推测GmHAT5在大豆盐胁迫应激调控中扮演重要角色。