耐鹽植物鹽芥吸鉀排鈉的生理機(jī)制及基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、土壤鹽漬化(soil salinization/salination)或者鹽脅迫(salt stress)是使農(nóng)業(yè)作物的產(chǎn)量降低或者作物不能生長(zhǎng)的現(xiàn)象，土壤鹽漬化影響植物的生理生化指標(biāo)，如抑制種子萌發(fā)率、破壞離子平衡（如Na+/K+平衡）、細(xì)胞功能、抑制植株高度、干重、產(chǎn)量、改變糖和氨基酸等代謝物質(zhì)含量、抗氧化物酶活性等，影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，因此鹽漬化正嚴(yán)重限制著我國(guó)乃至世界的農(nóng)作物產(chǎn)量提升及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。Na/K+失衡是土壤鹽漬

2、化最明顯的表現(xiàn)之一，土壤鹽漬化導(dǎo)致的Na+/K+失衡破壞植物體內(nèi)原有的離子平衡，因而破壞Na+、K+各自所參與的代謝，如維護(hù)細(xì)胞膜電位、調(diào)控酶活性等。本研究通過(guò)對(duì)擬南芥哥倫比亞型（Arabidopsis haliana，Columbia，Col）、高水楊酸生態(tài)型(Cape Verde Islands，Cvi-0)、抗鹽脅迫能力較強(qiáng)的鹽芥（Thellungiellasalsuginea，鹽芥）和低水楊酸的NahG轉(zhuǎn)基因植物為實(shí)驗(yàn)材料，采用

3、鹽脅迫(100 mMNaCl)、水楊酸(SA，0.5 mM)和SA的抑制劑多效唑(PBZ，0.5 mM)預(yù)處理、結(jié)合消減雜交以及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等技術(shù)手段探究鹽芥吸鉀排鈉—耐鹽脅迫的生理機(jī)制，以及水楊酸在其中起到的關(guān)鍵作用。本文得到的主要結(jié)果如下:
　　(1)缺乏水楊酸的植物耐鹽脅迫，但并非通過(guò)吸鉀排鈉的生理機(jī)制
　　利用哥倫比亞型Col、高水楊酸生態(tài)型Cvi-0和NahG轉(zhuǎn)基因材料為實(shí)驗(yàn)材料，分別用100 mM Na+和100

4、mM K+脅迫處理擬南芥，并檢測(cè)鹽脅迫對(duì)葉面積（第3片真葉）、葉片數(shù)、植株含水量、植株鮮重、Na+、K+含量的影響，結(jié)果顯示100 mM Na+和100 mM K+脅迫后，三個(gè)品種中葉面積、葉片數(shù)、植株含水量、鮮重都有不同程度的下降，并且100 mM Na+處理顯著增加植株Na+含量(p＜0.01)，降低K+含量(p＜0.05)，而100 mM K+脅迫后，植株體內(nèi)K+含量升高(p＜0.01)，Na+含量降低(p＜0.05)。比較哥倫比

5、亞型Col、生態(tài)型Cvi-0和NahG轉(zhuǎn)基因材料中以上指標(biāo)的變化程度，顯示NahG中的生理生化指標(biāo)受鹽脅迫的影響程度最小，表明NahG轉(zhuǎn)基因材料的抗鹽脅迫能力較強(qiáng)。但NahG轉(zhuǎn)基因植物耐鹽并非通過(guò)吸鉀排鈉的生理機(jī)制，其K+含量與Col并無(wú)顯著差異，推測(cè)其耐鹽機(jī)制可能與其抗氧化能力較強(qiáng)有關(guān)。
　　(2)水楊酸通過(guò)促進(jìn)吸鉀排鈉提高植物的耐鹽性
　　以擬南芥和鹽芥為實(shí)驗(yàn)材料，分別用0.5 mM SA和0.5 mM PBZ預(yù)處理后，

6、再用100 mM NaCl脅迫處理，檢測(cè)植株含水量、Na+、K+含量，活性氧檢測(cè)（H202染色法）、可溶性糖濃度、丙二醛(MDA)含量、電導(dǎo)率的變化。結(jié)果顯示SA處理使鹽脅迫導(dǎo)致的植株含水量下降幅度減緩(p＜0.05)。鹽脅迫還造成可溶性糖濃度下降(p＜0.05)、MDA含量上升(p＜0.05)、電導(dǎo)率上升(p＜0.01)、活性氧含量升高。而這些參數(shù)在SA處理下變化幅度減小，表明SA處理后植株的抗鹽脅迫能力增強(qiáng)。而PBZ預(yù)處理可部分逆轉(zhuǎn)

7、SA的作用。SA處理能夠顯著緩解鹽脅迫下的Na+含量上升(p＜0.05)，同時(shí)促進(jìn)K+吸收(p＜0.05)，而PBZ抑制SA的作用，所以SA緩解鹽脅迫的機(jī)制與其“吸鉀排鈉”作用有關(guān)。
　　鹽芥本身對(duì)鹽脅迫有很強(qiáng)的抗性，在鹽脅迫下K+含量顯著高于擬南芥(p＜0.05)，而Na+含量顯著低于擬南芥(p＜0.05)。SA可以進(jìn)一步促進(jìn)鹽芥吸鉀排鈉的能力，而PBZ抑制這種能力。
　　(3)鹽脅迫擬南芥轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及消減雜交分析

8、　　通過(guò)對(duì)鹽脅迫前后擬南芥和鹽芥的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和生物信息學(xué)分析，利用消減雜交(SSH)技術(shù)篩到鹽芥中的特異性高表達(dá)的基因。對(duì)差異表達(dá)基因的GO(GeneOntology)和KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) pathway富集分析表明它們主要與激素應(yīng)答、氧化酶活性、脅迫反應(yīng)等相關(guān)，并且擬南芥和鹽芥差異表達(dá)的基因所屬代謝通路不盡相同，如擬南芥中的差異基因富集在P53、自噬、FoxO等通

9、路上，而鹽芥中與鹽脅迫相關(guān)基因顯著富集在NF-kB、HIF-1、MAPK、戊糖磷酸等途徑上。當(dāng)然擬南芥和鹽芥差異表達(dá)的基因也富集在一些共通的代謝通路上，如氨基酸代謝、糖代謝、以及植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。
　　另外我們還篩選到一批鹽芥特有的差異表達(dá)的基因，如C2H2和WRKY轉(zhuǎn)錄因子和脫落酸(ABA)信號(hào)相關(guān)基因。SA通路代表性基因NPR1和PR1在鹽脅迫后擬南芥中的表達(dá)量降低(Fold change，F(xiàn)C＜1)，而在鹽脅迫后鹽芥中的表