韓 樂 杜萍萍 肖 凱

小麥脫落酸受體基因介導(dǎo)植株抵御干旱逆境功能研究

韓 樂 杜萍萍 肖 凱*

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 河北保定 071001

脫落酸(ABA)受體PYR/PYL/RCAR通過與滲透脅迫誘導(dǎo)的ABA結(jié)合, 參與植株體內(nèi)ABA介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程, 在調(diào)控植株干旱逆境抵御過程中具有重要的生物學(xué)功能。本文研究了鑒定的1個干旱響應(yīng)的PYR家族成員的分子特征、應(yīng)答干旱表達(dá)模式及其介導(dǎo)植株抵御干旱逆境的功能。結(jié)果表明,與植物種屬中部分PYR基因在氨基酸序列水平上高度同源, 編碼蛋白含有PYR家族成員保守結(jié)構(gòu)域, 翻譯蛋白經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分選后定位于細(xì)胞質(zhì)膜?；蛟谛←湼⑷~中均呈明顯的干旱誘導(dǎo)表達(dá)模式, 在干旱脅迫48 h表達(dá)量達(dá)到峰值。與野生型對照(WT)相比, 超表達(dá)煙草轉(zhuǎn)化株系, 干旱處理下植株長勢增強, 干鮮重增加。干旱處理下, 轉(zhuǎn)化株系較對照的光合能力增強, 細(xì)胞保護(hù)酶活性提高, 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸和可溶性糖含量增加。研究表明,通過在轉(zhuǎn)錄水平上應(yīng)答干旱逆境, 改善干旱脅迫下的植株相關(guān)生理過程, 在增強植株抵御干旱逆境能力中發(fā)揮重要作用。

小麥; ABA受體基因; 表達(dá); 遺傳轉(zhuǎn)化; 功能鑒定

干旱是作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要限制因素, 增強小麥等麥類作物水資源利用效率對于保障我國糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要實踐意義[1]。研究表明, 植株在長期的演化過程中, 已形成系統(tǒng)的抵御干旱等滲透脅迫逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和相關(guān)生化途徑[2-3]。其中, 脫落酸(abscisic acid, ABA)依賴途徑通過介導(dǎo)干旱誘導(dǎo)的ABA信號傳遞, 在轉(zhuǎn)錄水平上激活下游滲透脅迫防御、初級和次級代謝、氣孔開度調(diào)節(jié)等相關(guān)基因表達(dá), 在增強植株適應(yīng)和抵御干旱逆境中發(fā)揮著重要生物學(xué)功能[4-6]。

近年來研究證實, ABA依賴的信號傳遞途徑與感受滲透脅迫逆境誘發(fā)的ABA受體蛋白密切相關(guān)[7-9]。干旱等滲透脅迫誘導(dǎo)的ABA首先被特定ABA受體家族成員感知, 該家族成員識別和結(jié)合干旱誘導(dǎo)的ABA后形成受體-ABA復(fù)合體, 進(jìn)一步與信號組分磷酸酶(PP2Cs)互作, 形成受體-ABA- PP2Cs三聚體, 由此解除PP2Cs與SnRK轉(zhuǎn)錄因子互作造成的對SnRK轉(zhuǎn)錄和功能的限制?；罨腟nRK轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而調(diào)控下游干旱響應(yīng)關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄, 增強植株對干旱脅迫的適應(yīng)和抵御能力[10]。近年來, 有關(guān)模式植物擬南芥中ABA受體基因及其功能的鑒定研究已有較多報道, 證實Pyrabactin 1 (PYR 1)/PYR 1和PYL蛋白具有結(jié)合ABA及將ABA信號向下游傳遞的功能[11]。通過上述ABA受體與ABA和PP2Cs核心ABA信號元件互作激活SnRK 2家族成員, 調(diào)控干旱逆境下生理生化過程, 改善植株響應(yīng)干旱等滲透脅迫逆境的相關(guān)生理生化過程[12-13]。

植物種屬中ABA受體PYR (PYRABACTINRE SISTANCE)以家族的形式存在。迄今在模式植物擬南芥中鑒定了PYR1及其他13個同源基因(PYR1- Like), 分別命名為PYL1~PYL13。對上述擬南芥ABA受體編碼基因應(yīng)答干旱逆境模式和基因突變體研究表明, 部分PYR家族成員呈干旱誘導(dǎo)表達(dá)模式, 基因失活的突變體對干旱脅迫的耐受性與野生型對照相比發(fā)生明顯改變[14]。表明PYR家族成員通過介導(dǎo)ABA信號傳遞, 在植株適應(yīng)和抵御干旱逆境中發(fā)揮著重要生物學(xué)功能。

小麥?zhǔn)俏覈狈街匾Z食作物, 增強小麥抗旱能力對于節(jié)省水資源開發(fā)及促進(jìn)我國糧食可持續(xù)發(fā)展具有重要實踐意義。作者前期利用高通量測序分析鑒定了1個對干旱顯著應(yīng)答的小麥ABA受體基因?；诖? 本研究針對迄今有關(guān)小麥種屬PYR家族成員研究尚少的現(xiàn)狀, 對該小麥PYR家族成員分子特征、應(yīng)答干旱表達(dá)模式及介導(dǎo)植株抵御干旱逆境的能力進(jìn)行了研究, 旨在豐富小麥響應(yīng)干旱逆境分子機(jī)理的認(rèn)識, 為今后小麥抗旱遺傳改良提供理論。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

以小麥品種濟(jì)麥22為材料, 采用試驗室建立的Hoagland培養(yǎng)法培養(yǎng)小麥幼苗。培養(yǎng)條件為溫度25℃/20℃ (白天/夜間), 光周期12 h/12 h (光期/暗期), 空氣濕度65%~75%。期間每3 d更換一次營養(yǎng)液。三葉期時, 將幼苗移至含有5%聚乙二醇(PEG-6000)的營養(yǎng)液內(nèi), 處理6、12、24和48 h后收獲根葉樣本。此外, 將部分干旱處理48 h后幼苗轉(zhuǎn)移至正常Hoagland營養(yǎng)液, 處理24 h和48 h收獲根葉樣本。以干旱處理前(0 h)根葉作對照。收獲各處理時間點樣本經(jīng)液氮速凍后置?80℃冰箱備用。

1.2 TaPYR1分子特征研究

以TaPYR1蛋白序列為基礎(chǔ)查找GenBank同源蛋白, 采用Mega軟件建立TaPYR1與其植物種屬同源蛋白系統(tǒng)進(jìn)化樹。利用Protparam軟件, 在線分析TaPYR1分子量和等電點; 運用NCBI的CDD (Conserved Domain Database)在線工具, 鑒定TaPYR1保守域; 采用與報告基因融合蛋白(TaPYR1-GFP)在細(xì)胞內(nèi)定位試驗, 明確TaPYR1亞細(xì)胞定位特征。方法如下: 采用DNA重組技術(shù)構(gòu)建表達(dá)載體pCAMBIA1300--。擴(kuò)增CDS的正向引物為5'-TGCTCTA GAATGGAGCAGCAGCCTGTG-3', 反向引物為5'- CGGACTAGTTTATTCTGCCGGCGGCGC-3'。用將重組質(zhì)粒農(nóng)桿菌用針頭注射入煙草表皮細(xì)胞, 48 h后用激光共聚焦顯微鏡(FV10-ASW, OLYMPUS)于激發(fā)光波長 480 nm 和發(fā)射光波長510 nm下觀察GFP信號, 確定供試基因編碼蛋白的亞細(xì)胞位置。

1.3 TaPYR1應(yīng)答干旱逆境的表達(dá)模式研究

參照試劑說明書采用TRIzol提取樣本根、葉總RNA。參照Guo等[15]的方法采用qRT-PCR技術(shù), 鑒定在各處理時間點的轉(zhuǎn)錄本豐度。以小麥組成型基因作為目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄本均一化內(nèi)標(biāo), 擴(kuò)增該內(nèi)標(biāo)基因正向引物為5'-CATGCTATCCCTC GTCTCGACCT-3', 反向引物為5'-CGCACTTCATG ATGGAGTTGTAT-3'。

1.4 轉(zhuǎn)基因煙草株系建立

參照Sun等[16]的方法, 以干旱處理48 h小麥根系cDNA為模板, 采用RT-PCR技術(shù)擴(kuò)增正、反義序列。其中, 擴(kuò)增正義序列正向引物為5'-AAACCATGGAGCAGCAGCCTGTG-3', 反向引物為5'- GCAAAGAGTATCACAGCATCCGG-3'; 擴(kuò)增反義序列正向引物為5'-AAACCATGGCAAAGAGTA TCACAGCA-3', 反向引物為5'-AAAGGTAACCGC GTCGAGTCGAGTCCA-3'。采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法將正、反義表達(dá)載體分別轉(zhuǎn)化煙草(cv. Wiscosin 35), 構(gòu)建正、反義表達(dá)轉(zhuǎn)化株系。

1.5 干旱處理下轉(zhuǎn)化株系植株形態(tài)和干質(zhì)量測定

以正義株系Sen 1、Sen 2和反義株系A(chǔ)nti 1、Anti 2及野生型對照(WT)為材料, 采用與上述培養(yǎng)小麥幼苗相似的溶液培養(yǎng)法培養(yǎng)供試材料, 三葉期將供試材料分為兩組條件, 一組用正常Hoaland營養(yǎng)液培養(yǎng)(對照), 另一組轉(zhuǎn)入含有5% PEG的Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行干旱處理。4周后用數(shù)碼相機(jī)記錄植株長勢。此外, 選取各處理代表性植株3株, 置烘箱內(nèi)烘干后稱重, 獲得植株干質(zhì)量。

1.6 干旱處理下轉(zhuǎn)化株系生理生化參數(shù)測定

以上述不同處理4周后供試材料葉片為樣本, 參照Guo等[15]方法, 測定不同處理下轉(zhuǎn)化株系光合速率(n)、胞間CO2濃度(i)、光系統(tǒng)II光化學(xué)活性(PSII)和葉綠體光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。此外, 參照Huang等[17]的方法測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量; 參照Wang等[18]的方法, 測定脯氨酸含量和可溶性糖含量。

1.7 干旱處理下轉(zhuǎn)化株系細(xì)胞保護(hù)酶編碼基因表達(dá)模式研究

以干旱處理4周后供試材料葉片為樣本, 對4個編碼SOD家族基因()、6個編碼CAT蛋白基因()和10個編碼POD蛋白基因()的表達(dá)模式進(jìn)行了研究。上述細(xì)胞保護(hù)酶基因的GenBank登錄號和用于擴(kuò)增上述基因擴(kuò)增的引物見附表1。參照Sun等[16]的方法檢測上述細(xì)胞保護(hù)酶各家族基因的轉(zhuǎn)錄豐度進(jìn)行。以煙草組成型表達(dá)基因為目標(biāo)基因表達(dá)豐度均一化內(nèi)參。擴(kuò)增該內(nèi)參基因正向引物為5'-TACACAGGGGAAGG AATGG-3', 反向引物為5'-CTCGAAACCAACGGTA TC-3'。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。各測定數(shù)據(jù)均源于4次測試重復(fù)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 TaPYR1的分子特征

cDNA全長 840 bp, 開放讀碼框長度為636 bp, 編碼211個氨基酸。TaPYR1蛋白分子量為 22.621 kD, 等電點(pI)為4.97。蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測分析表明, TaPYR1含有植物種屬PYR家族成員保守的SRPBCC超家族保守區(qū)域(圖1-A); 蛋白多重比對結(jié)果表明, TaPYR1在44~192氨基酸區(qū)段與其同源蛋白高度保守, 和其他物種同源蛋白具有相似的保守域結(jié)構(gòu)(圖1-B)。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明, 在氨基酸水平上, TaPYR1與單子葉植物種屬如節(jié)節(jié)麥、大麥、水稻和玉米等同源蛋白在序列組成上高度相似(圖1-C), 表明上述成員可能具有相似的進(jìn)化祖先。采用蛋白定位檢測試驗鑒定TaPYR1-GFP融合蛋白的亞細(xì)胞位置表明, TaPYR1-GFP融合蛋白的熒光信號出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)膜。說明TaPYR1經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分選后定位于質(zhì)膜, 在此處參與結(jié)合ABA及特定ABA信號的傳遞。

2.2 TaPYR1應(yīng)答干旱脅迫逆境的表達(dá)模式

正常生長條件下, 小麥根、葉片內(nèi)轉(zhuǎn)錄本數(shù)量均較低; 干旱處理下,表達(dá)上調(diào), 表現(xiàn)在48 h處理時間內(nèi), 隨處理進(jìn)程轉(zhuǎn)錄本數(shù)量不斷增多。此外, 將經(jīng)48 h干旱處理植株轉(zhuǎn)移至正常條件后, 根、葉內(nèi)表達(dá)水平逐漸下調(diào), 大致恢復(fù)至處理前水平(圖2)。表明呈典型干旱應(yīng)答表達(dá)模式, 通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)參與植株應(yīng)答干旱脅迫過程。

2.3 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的植株生長特征

正常生長條件下, 供試轉(zhuǎn)化株系和與野生型(wild type, WT)植株長勢一致(圖3-A)。干旱處理下, 與WT相比, 正義轉(zhuǎn)化煙草株系(Sen 1和Sen 2)植株長勢明顯增強(圖3-A), 植株干質(zhì)量顯著增多(圖3-B); 與此相反, 反義轉(zhuǎn)化的煙草株系(Anti 1和Anti 2)植株長勢明顯變差(圖3-A), 植株干質(zhì)量顯著降低(圖3-B)。說明轉(zhuǎn)錄豐度改變能誘發(fā)干旱逆境下植株長勢和干物質(zhì)積累能力的明顯改變, 該基因在介導(dǎo)植株抵御干旱脅迫過程中發(fā)揮著重要生物學(xué)作用。

圖1 TaPYR1蛋白的分子特征

A: TaPYR1蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測; B: TaPYR1蛋白多重序列比對; C: TaPYR1氨基酸水平系統(tǒng)進(jìn)化分析。

A: TaPYR1 protein structure predicted; B: alignment results among TaPYR1 protein and its homolougous proteins; C: phylogenetic relations among TaPYR1 and its counterparts in plant species.

圖2 根葉中TaPYR1應(yīng)答干旱脅迫逆境表達(dá)模式

0 h, 處理前對照; 6、12、24和48 h, 干旱處理時間點; R24 h和R48 h, 恢復(fù)處理時間點。

0 h, control before treatment; 6, 12, 24, and 48 hours, time points under drought treatment; R24 h and R48 h, time points of recovery treatment after drought treatment.

2.4 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的光合特性

與前述的植株長勢一致, 正常生長條件下, 轉(zhuǎn)化株系和WT的光合參數(shù)無明顯差異(圖4-A~D)。干旱處理下, 與WT相比, 超表達(dá)煙草株系(Sen 1和Sen 2)葉片光合速率(n)和光系統(tǒng)II光化學(xué)效率(PSII)顯著增高, 胞間CO2濃度(i)葉綠體光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)降低; 而反義表達(dá)煙草株系(Anti 1和Anti 2)n和PSII顯著降低,i和NPQ增大(圖4-A~D)。表明具有顯著增強干旱脅迫下植株光合作用的能力。

2.5 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的氣孔關(guān)閉及持水特征

以干旱處理60 min內(nèi)不同時間點(處理前0、0.25、0.5和1 h)轉(zhuǎn)化株系(Sen 1和Anti 1)和WT為材料, 對調(diào)控氣孔開閉特性和葉片持水力進(jìn)行了研究。隨干旱處理進(jìn)程, 轉(zhuǎn)化株系和WT氣孔開度均不斷變小。但與WT相比, 正義煙草株系(Sen 1)氣孔關(guān)閉速率加快, 而反義株系(Anti 1)氣孔關(guān)閉速率變慢(圖5-A)。與氣孔關(guān)閉速率表現(xiàn)相反, Sen 1在干旱各處理時間點的葉片持水力均高于WT, 而Anti 1則相反, 各處理時間點的葉片持水力均低于WT (圖5-B)。上述結(jié)果表明,能調(diào)控干旱處理下的植株葉片氣孔加速關(guān)閉, 減少植株水分散失, 一定程度上增強植株持水和抵御干旱逆境能力。

圖3 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的植株生長特征

A: 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系植株生長情況; B: 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系干質(zhì)量。WT, 野生型; Sen 1和Sen 2, 正義表達(dá)株系; Anti 1和Anti 2, 反義表達(dá)株系。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差, 符號*表示相對于WT的差異顯著(< 0.05)。

A: Plant growth characteristics of transgenic lines overexpressingunder drought stress; B: Plant biomass of transgenic lines overexpressingunder drought stress. WT, wild type; Sen 1 and Sen 2, lines overexpressing; Anti 1 and Anti 2, lines withknockdown expression. Error bars indicate SE and symbol * represents significant difference relative to WT (< 0.05).

2.6 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的細(xì)胞保護(hù)酶活性、滲透物質(zhì)含量及保護(hù)酶基因表達(dá)模式

干旱處理下, 與WT相比, Sen 1株系SOD、CAT和POD活性增高, MDA含量降低; 與此相反, Anti 1株系上述細(xì)胞保護(hù)酶活性降低, MDA含量增高(圖6-A~D)。此外, 與WT相比, 干旱處理下Sen 1株系可溶性糖與脯氨酸含量增高, Anti 1株系可溶性糖與脯氨酸含量降低(圖6-E, F)。表明介導(dǎo)植株抵御干旱逆境能力的增強, 與其改善逆境脅迫下的細(xì)胞活性氧穩(wěn)態(tài)和增強滲透物質(zhì)生化合成代謝有關(guān)。

對干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系和WT編碼細(xì)胞保護(hù)酶家族基因的表達(dá)模式研究發(fā)現(xiàn), 與WT相比, Sen 1株系、和、及的表達(dá)顯著上調(diào); 而Anti 1株系上述基因的表達(dá)則顯著下調(diào)(圖7)。上述結(jié)果表明,對特定細(xì)胞保護(hù)酶編碼基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控, 由此提高植株干旱逆境下的細(xì)胞保護(hù)酶活性, 改善干旱脅迫下的細(xì)胞胞活性氧相對穩(wěn)態(tài), 增強植株干旱抵御能力。

3 討論

ABA信號通路誘發(fā)一系列逆境防御相關(guān)生理生化過程改變, 在介導(dǎo)植株抵御干旱、鹽分等滲透脅迫逆境過程中發(fā)揮著重要生物學(xué)功能[19-21]。其中, ABA受體蛋白通過與逆境誘發(fā)的ABA結(jié)合, 介導(dǎo)逆境信號傳遞, 是特定滲透脅迫誘導(dǎo)的ABA信號傳遞通路重要組分[22]。本研究對小麥種屬分子特征研究表明, 該基因編碼蛋白與植物種屬部分同源蛋白在序列組成上高度相似, 其編碼蛋白含有PYR家族蛋白的SRPBCC超家族保守區(qū)域(44~192 aa)。此外, 對該基因編碼蛋白的亞細(xì)胞定位試驗結(jié)果顯示, TaPYR1 蛋白經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分選后定位于細(xì)胞質(zhì)膜。上述基因及其編碼蛋白特征表明,是小麥種屬中ABA受體家族成員, 其編碼蛋白通過在胞質(zhì)膜上結(jié)合ABA, 參與植株特定逆境信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。

(圖4)

A: 光合速率(n); B: 胞間CO2濃度(i); C: 葉綠體光化學(xué)淬滅系數(shù) (NPQ); D: 光系統(tǒng)II光化學(xué)效率(PSII)。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差, 符號*表示相對于WT的差異顯著(< 0.05)。

A: Photosynthetic rate (n); B: Intercellular CO2concentration (i); C: Photochemical quenching absorption of chloroplast (NPQ); D: Photochemical efficiency of photo system II (PSII). Error bars indicate SE and symbol * represents significant difference relative to WT (< 0.05).

圖5 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的氣孔關(guān)閉及葉片持水特征

A: 氣孔關(guān)閉特征; B: 葉片持水力。

A: stomatal closure characteristic; B:water retention capacity of leaves.

(圖6)

圖6 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的細(xì)胞保護(hù)酶活性及滲透物質(zhì)含量

A: SOD活性; B: CAT活性; C: POD活性; D: MDA含量; E: 脯氨酸含量; F: 可溶性糖含量。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差, 符號*表示相對于WT的差異顯著(< 0.05)。

A: SOD activities; B: POD activities; C: CAT activities; D: MDA contents; E: proline contents; D: soluble sugar contents. Error bars indicate SE and symbol * represents significant difference relative to WT (< 0.05).

圖7 干旱脅迫下轉(zhuǎn)化株系的保護(hù)酶基因表達(dá)模式

A: SOD家族基因; B: CAT家族基因C: POD家族基因。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差, 符號*表示相對于WT的差異顯著(< 0.05)。

A: SOD family genes; B: CAT family genes; C: POD family genes.Error bars indicate SE and symbol * represents significant difference relative to WT (< 0.05).

部分ABA信號通路組分編碼基因, 通過在轉(zhuǎn)錄水平上對滲透脅迫逆境產(chǎn)生應(yīng)答, 對特定逆境信號進(jìn)行傳遞[23]。如擬南芥PYR家族成員的轉(zhuǎn)錄本豐度在干旱和鹽分逆境下顯著增大, 通過基因轉(zhuǎn)錄效率改變, 改善與ABA結(jié)合能力, 對參與植株逆境響應(yīng)的ABA信號通路產(chǎn)生調(diào)控[24]。本研究發(fā)現(xiàn),在植株根葉組織內(nèi)呈典型的干旱誘導(dǎo)表達(dá)模式, 該基因在上述組織內(nèi)的表達(dá)隨干旱處理進(jìn)程不斷增強, 且其干旱誘導(dǎo)表達(dá)隨正常生長恢復(fù)處理不斷減弱。表明該基因轉(zhuǎn)錄受到干旱逆境的調(diào)節(jié)。進(jìn)一步揭示該基因轉(zhuǎn)錄機(jī)制, 將深入對小麥等麥類種屬ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及適應(yīng)干旱逆境分子機(jī)理的認(rèn)識。

氣孔調(diào)節(jié)是植物抵御干旱脅迫和適應(yīng)環(huán)境的重要機(jī)制之一。植物通過控制氣孔運動特征影響氣孔開閉程度, 進(jìn)而調(diào)控葉片蒸騰速率和水分利用效率(WUE)[25]。同時, 氣孔開閉程度通過影響光合作用底物CO2向光合羧化位點的傳輸, 對干旱等滲透脅迫逆境下的光合碳同化能力產(chǎn)生重要影響[26]。本研究對遺傳轉(zhuǎn)化煙草株系干旱逆境下植株長勢和干物質(zhì)積累特征研究表明, 正反義表達(dá)供試基因的煙草株系, 植株抵御干旱逆境的能力發(fā)生明顯改變。表現(xiàn)為與對照 (WT) 相比, 正義株系的長勢增強, 干質(zhì)量增大; 反義株系的長勢減弱, 干質(zhì)量降低。對上述株系抵御干旱逆境相關(guān)的氣孔開閉及光合生理研究表明,對干旱逆境下植株長勢和干質(zhì)量的調(diào)控, 與其對氣孔運動和光合碳同化能力的調(diào)節(jié)密切相關(guān)。因此, 該小麥ABA受體基因通過對氣孔關(guān)閉和光合碳同化正向調(diào)控, 改善干旱逆境下的植株保水和干物質(zhì)累積能力。

干旱等非生物逆境下, 植株體內(nèi)通過增強細(xì)胞保護(hù)酶如SOD、CAT和POD等生化活性, 增強對逆境誘導(dǎo)增多的活性氧 (超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基等) 清除能力, 減輕細(xì)胞的膜質(zhì)過氧化程度, 在增強植株抵御逆境脅迫過程中發(fā)揮著重要生物學(xué)功能[27]。本研究表明, 與WT相比, 干旱脅迫下正義株系上述細(xì)胞保護(hù)酶活性均明顯增強, 膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛含量降低。與此相反, 干旱處理下反義株系細(xì)胞保護(hù)酶活性降低, 丙二醛含量增多。表明通過對干旱逆境下細(xì)胞活性氧內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié), 對植株適應(yīng)和抵御干旱逆境的能力也產(chǎn)生重要影響。本研究通過對編碼上述保護(hù)酶的基因家族成員表達(dá)分析表明, 特定細(xì)胞保護(hù)酶家族基因包括、和、和轉(zhuǎn)錄受到PYR的調(diào)控。與WT相比, 干旱逆境下正、反義株系中上述保護(hù)酶基因分別呈典型的上、下調(diào)表達(dá)特征, 表明上述保護(hù)酶基因通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié), 影響轉(zhuǎn)化株系干旱處理下的細(xì)胞保護(hù)功能, 進(jìn)而影響植株抵御干旱逆境的能力。進(jìn)一步解析特定應(yīng)答干旱逆境細(xì)胞保護(hù)酶編碼基因的轉(zhuǎn)錄機(jī)制及耐逆功能, 將豐富對作物維持逆境下細(xì)胞活性氧穩(wěn)態(tài)及抗逆分子機(jī)制的認(rèn)識。

4 結(jié)論

小麥ABA受體基因編碼蛋白含有PYR/PYL/RCAR家族保守結(jié)構(gòu)域, 翻譯蛋白經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分選后定位于細(xì)胞質(zhì)膜。呈典型干旱誘導(dǎo)表達(dá)模式, 遺傳轉(zhuǎn)化該小麥ABA受體基因?qū)χ仓甑钟珊的婢衬芰Ξa(chǎn)生重要影響。該基因通過對氣孔關(guān)閉速率、光合碳同化、細(xì)胞保護(hù)能力和滲透物質(zhì)正向調(diào)控, 增強植株抵御干旱逆境能力。對細(xì)胞保護(hù)能力的調(diào)節(jié), 與其對細(xì)胞保護(hù)酶家族基因、和、和的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。

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Functional characteristics of, an abscisic acid receptor family gene in mediating wheat tolerance to drought stress

HAN Le, DU Ping-Ping, and XIAO Kai*

College of Agronomy, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, Hebei, China

ABA receptors are involved in the mediation of ABA signaling transduction through interaction with abscisic acid (ABA) molecules induced by osmotic stresses and play critical roles in regulating the drought stress tolerance in plants. In this study,, an ABA family gene in wheat that was shown to be differentially expressed in our previous transcriptome analysis was used to analyze its molecular property, expression patterns under drought stress condition, and functions in mediating plant adaptation to drought stress.shares high similarities to its plant counterparts at amino acid level. TaPYR1 protein contains the conserved domains specified by the plant PYR proteins and was targeted onto the plasma membrane after endoplasmic reticulum (ER) assortment. The expression ofwas induced in both roots and leaves under drought, with the highest expression levels at 48 h of drought treatment. Transgene analysis onwas performed to assess the gene function in mediating plant drought tolerance. Compared with wild type (WT), the tobacco lines overexpressingenhanced growth vigor and increased fresh and dry weight under drought stress. In addition, the transgenic lines withoverexpression also increased photosynthetic function, enhanced activities of cellular antioxidant enzymes, and elevated the contents of osmolytes (i.e., proline and soluble sugar) under drought condition. Our investigation suggests thattranscriptively responds to drought stress signaling and plays an important role in regulating plant drought adaptation by improving the associated physiological processes.

; ABA receptor gene; expression; genetic transformation; functional characterization

附表1、和家族基因特異性擴(kuò)增引物

Supplementary table 1 The specific primers for amplification of the NtSOD, NtCAT, and NtPOD family genes

(續(xù)附表1)

10.3724/SP.J.1006.2020.91067

本研究由國家自然科學(xué)基金項目(31872869)和國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0300902)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of China (31872869) and the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0300902).

肖凱, E-mail: xiaokai@hebau.edu.cn

E-mail: hanle95@163.com

2019-11-09;

2020-01-15;

2020-02-14.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200214.1408.004.html