过量表达毛白杨APX基因增强植物对非生物胁迫的抗性

• 作 者: 马箐
• 机 构: 山东师范大学
• 出 处: 山东师范大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 抗坏血酸过氧化物酶 过量表达 烟草 抗逆性

盐胁迫和干旱胁迫是造成作物产量降低、品质下降、制约世界农业发展的重要非生物胁迫类型。植物生存的外界环境，如温度、土壤含水量、土壤盐度等因素的变化幅度超过植物的耐受范围时，植物体内易积累过量的活性氧，进而对植物体造成氧化胁迫伤害。面对土壤盐渍化、沙漠化日益加重的严峻形势，筛选抗性品种或利用基因工程方法培育抗性较强的转基因新品种尤显重要。本文首先用生物信息学方法分析741毛白杨APX基因家族成员的理化性质、一级结构、二级结构、疏水性/亲水性、基因定位、三级结构等方面特征，通过对比分析，发现9种APX基因在进化上有四个分支：亚类A(APX-Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)，亚类B(APX-Ⅳ和Ⅴ)，亚类C(APX-Ⅶ、Ⅷ和Ⅸ)，APX -Ⅵ独处于一个分支。APX-Ⅵ和亚类B成员在许多方面性质相同，并且三级结构相似，它们很可能是741毛白杨仅有的三种叶绿体型APX同工酶；亚类A和亚类C属于胞质型APX同工酶。9种APX蛋白都没有信号肽，属于亲水性蛋白，二级结构中无规卷曲是比例最高的结构元件，并且都有ascorbate-peroxidase保守结构域。毛白杨APX基因在进化上既符合高度保守性的研究事实，在许多特性方面又体现了不同亚类之间的特异性。生物信息学的研究成果为后续实验性研究各种同工酶的生物学功能和调节机制奠定基础。烟草是分子生物学研究的模式植物，人们已经掌握烟草完整的基因组序列信息。我们以野生型烟草作为实验材料，通过转基因手段成功获得8种过量表达毛白杨APX基因烟草。结合生物信息学的分析结果，选择APX -Ⅰ基因（胞质型）和APX -Ⅵ（叶绿体型）基因作为重点研究对象，研究了过量表达该2个基因对转基因烟草抗逆能力的影响，主要研究成果如下：1）从表型上看，试管苗期，过量表达APX基因烟草生根较野生型快，并且根毛数量多。成苗期，高盐、干旱或氧化处理后，过量表达APX基因烟草的长势要明显优于野生型烟草，转基因烟草普遍植株较高、茎秆较粗，出现胁迫伤害表型的时间相对较晚，受伤害程度较轻。2）从生理指标上看，逆境条件下，转基因烟草的APX酶活力较高，同时SOD酶活也相对较高，二者可以有效提高烟草酶促系统的活性氧清除能力。转基因烟草AsA含量高于野生型烟草，H2O2积累量低于野生型烟草，过量表达APX烟草受到较少的氧化伤害。在各种胁迫条件下，过量表达APX烟草MDA含量相对较低，而总叶绿素含量较高，过量表达APX有效增强烟草细胞膜和叶绿素的稳定性。总之，在一定范围的胁迫条件下，与野生型烟草相比，过量表达毛白杨APX基因烟草能够表现出更高的抗逆（抗盐、抗旱、抗氧化）能力。