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。

转GsPPCK1基因苜蓿植株的获得及其耐碱性分析

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶激酶(phosphoenolpyruvate carboxylase kinase,PPCK)是一种钙不依赖的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)类蛋白激酶,参与碳氮代谢等多个生物学过程,然而其在碱胁迫反应中的作用尚未见报道。本研究在前期野生大豆碱胁迫基因表达谱数据基础上,采用同源克隆的方法分离野生大豆(Glycine soja)PPCK1基因,该基因编码的氨基酸序列与大豆(Glycine max)PPCK1蛋白(AAQ83695.1)具有99%的相似性,被命名为GsPPCK1。在50mmolL–1NaHCO3胁迫处理3h内,根和叶中GsPPCK1基因上调表达,属碱胁迫早期应答基因。通过农杆菌介导法对肇东苜蓿进行遗传转化,并对RT-PCR阳性的超表达转基因株系进行耐碱性分析,在100mmolL–1NaHCO3处理15d后转基因株系生长状态良好,而非转基因对照株系明显萎蔫、失绿、甚至死亡;转基因株系的丙二醛含量和相对质膜透性显著低于非转基因株系(P<0.05),而叶绿素含量和根系活力显著高于非转基因对照(P<0.05),说明超量表达GsPPCK1基因增强了苜蓿的耐碱能力。以上结果表明,GsPPCK1参于植物耐碱胁迫反应过程,在碱胁迫基因工程研究领域具有良好的理论和实际应用意义。

GsPPCK1和GsPPCK3基因转化苜蓿及其耐碱性分析

基于课题组构建的野大豆碱胁迫基因转录谱和调控网络,筛选出两个碱胁迫应答关键基因:丝苏氨酸磷酸激酶(GsPPCK1和GsPPCK3)。本研究构建了以35S为启动子,bar基因为筛选标记基因的植物超表达载体,以紫花苜蓿龙牧806子叶节为外植体,通过农杆菌介导法进行了GsPPCK1和GsPPCK3的苜蓿遗传转化;通过固沙草筛选GsPPCK1获得抗性植株45株,GsPPCK3获得53株;对抗性植株进行PCR和Real-time PCR检测,最终确定基因超量表达各2个株系。为进一步研究该基因的耐碱性,用NaHCO3分别为0 mmol/L、100 mmol/L、200 mmol/L、250 mmol/L的4个浓度处理转基因苜蓿,9 d后不同NaHCO3胁迫下对转基因株系进行耐碱性相关的生理指标分析,包括质膜透性、叶绿素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量、柠檬酸含量、SOD活性及PEPC活性,结果表明:GsPPCK1和GsPPCK3在苜蓿中的超量表达显著提高了苜蓿的耐碱性。