从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制

光合作用影响着植物的生长发育及产量,并在盐碱胁迫响应中起到积极作用。前期研究将光合途径中野生大豆来源的GsPPCK1和GsPPCK3基因转入苜蓿,所获得转基因苜蓿耐碱性提高。从光合作用和有机酸积累角度探索转GsPPCK1和GsPPCK3基因苜蓿耐碱性增强的生理机制。结果表明,碱胁迫9d后,叶绿素的相对含量下降,转基因株系P1-5、P3-8与未处理相比变化并不显著,分别下降了11.27%、13.30%,而非转基因株系的叶绿素含量下降了39.11%。转基因株系P1-5、P3-8光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及胞间CO2浓度(Ci)在胁迫处理后也有下降趋势,但下降的幅度仅为非转基因植株下降幅度的1/2。光合途径中NADP-苹果酸脱氢酶、NADP-苹果酸酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、丙酮酸正磷酸二激酶、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶等关键酶的酶活及有机酸(苹果酸、柠檬酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸)含量在碱胁迫处理后均呈上升趋势,而转基因株系P1-5、P3-8的光合酶活和4种有机酸含量与非转基因对照相比上升极显著(P<0.01)。PEPC(Medtr4g079860.1)、NADP-ME(Medtr8g014390.1)、NADP-MDH(Medtr1g043040.1)、PPDK(Medtr4g118350.1)及Rubisco(Medtr4g021210.1)基因的表达呈先上升后下降趋势,转基因株系中基因的表达变化较非转基因对照更为显著(P<0.01)。由此表明,在正常情况下,GsPPCK1和GsPPCK3基因的超量表达并未影响植物的光合作用,但是在碱胁迫下,转基因苜蓿的光合作用受碱胁迫的抑制较小,这一过程可能与PEPC酶的激活有关。另外,光合中间产物有机酸含量的显著上升对维持细胞内pH值的稳定也起到重要作用。

蒺藜苜蓿PEPC蛋白生物信息学分析及在碱胁迫中功能的预测

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)是一种广泛存在于自然界中的代谢酶,在高等植物中参与光合作用的碳固定、生物合成前体的供应、p H的调控等多种生物学过程。本研究通过生物信息学方法,识别、筛选、获得蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)PEPC(Mt PEPC)的氨基酸序列Medtr2g076670.2,并对与Medtr2g076670.2相似的25个豆科PEPC基因进行系统进化树分析。着重对4个Mt PEPCs和6个Gm PEPCs基因进行功能域分析、蛋白二级结构域预测及组织表达特异性分析,以推测蒺藜苜蓿PEPC基因的功能。结果表明,该10个基因分为两个Group分支,两个分支中存在不同的亚细胞定位信号,并且两个分支中大豆基因在地上和地下组织之间存在差异。通过蛋白相互作用的预测分析,PEPC蛋白可与苹果酸脱氢酶(malate dehydrogenase,MDH)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)及2个未知蛋白存在相互作用;在碱胁迫下,Gs PEPCs基因与苹果酸脱氢酶基因是"共表达"基因。可以推测,PEPC对碱胁迫的反应,可能是通过调节有机酸含量实现的。通过对Mt PEPC蛋白和Gm PEPC蛋白的生物信息学分析,获得了其相应的分子生物学特征,为PEPC蛋白在碱胁迫反应中的功能提供理论依据。