PtVP1和PtSOS2提高转基因杨树耐盐性的应用基础研究

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杨树是重要的生物质能源树种和环境保护用树,培育耐盐杨树新品种具有巨大的经济价值和生态效益。在模式植物拟南芥中,为离子转运提供质子驱动力的V型H+-PPase AVP1,以及SOS信号途径中的核心调节因子SOS2在增强植物耐盐性方面发挥着重要作用。拟南芥Ⅰ型H+-PPase(AVP1)已经得到详尽的研究并广泛用于改善草本植物的耐盐、抗旱能力,但是木本植物中的H+-PPase的功能仍不清楚。在本研究中,从毛果杨中克隆了一个AVP1的同源基因,命名为Pt VP1.1,并研究了其在拟南芥和杨树中的功能。预测的Pt VP1.1翻译产物与AVP1有89.74%的一致性。定量PCR分析显示Pt VP1.1在各种组织器官中遍在表达。异源表达PtVP1.1可以互补拟南芥相应突变体生长被抑制的表型。在山新杨中过量表达PtVP1.1能显著改善转基因植株在150 mM NaCl处理条件下的生长状态,提高存活率。进一步分析发现,相对于野生型植株,转基因植株的PPase水解活性增加,叶片中Na+积累减少,K+积累增加,根部Na+外流以及H+内流增加。以上这些结果表明PtVP1.1是AVP1的功能同源基因。  拟南芥SOS(Salt Overly Sensitive)信号途径在维持离子稳态和增强植物耐盐性方面发挥着重要作用,前期的研究表明杨树中也存在一个功能保守的SOS信号途径,于是将AtSOS2在杨树中的同源基因PtSOS2的组成型激活形式PtSOS2TD在CaMV35S启动子的驱动下导入主栽杨树品种山新杨中,并通过GUS染色和PCR分析等,鉴定获得一批目标基因过量表达的转基因株系。在人工控制环境中的实验发现,转基因杨树在150 mM NaCl处理条件下保持了较好的生长状态,株高、生物量和存活率等指标都显著高于野生型。进一步分析表明过量表达PtSOS2TD的转基因杨树在盐胁迫条件下具有比野生型杨树更高的质膜Na+/H+交换活性和更强的Na+外流,进而使光合组织中维持较低的Na+含量和较高的K+/Na+比,从而增强了转基因杨树的耐盐性。同时,转基因杨树的抗氧化能力亦有所提高。以上结果表明PtVP1.1(PtVP1.1m)和PtSOS2(PtSOS2TD)可以作为遗传改良木本植物耐盐性的良好候选基因。
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