论文部分内容阅读
苜蓿属(Medicago)植物是全球范围内广泛种植的优良豆科牧草。钠离子是植物在盐胁迫下的主要毒害离子，而铁则是植物生长发育必需的矿质元素。盐胁迫是世界范围内常见的非生物胁迫，对农牧业生产造成极大的危害，因此解析苜蓿盐胁迫机理有助于培育耐盐苜蓿品种。铁元素虽然在地壳中含量较多，但在我国北方中性和碱性土壤中的生物有效性低，影响着苜蓿的产量和品质。蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)是豆科的模式植物，其中JemalongA17和R108是蒺藜苜蓿研究中两个常用的生态型。生态型Jemalong A17是最早用于全基因组测序的材料，而R108是经常用于遗传转化的苜蓿材料。黄花苜蓿(Medicago falcata)是分布在我国北方温带草原具有优异抗逆特性的多年生豆科牧草，广泛用于抗逆苜蓿品种的培育。因此，以此为植物材料探讨苜蓿响应与适应低铁土壤的机理将为提高苜蓿产量和品质提供理论依据。 CBL(Calcineurin B-Like)-CIPK(CBL-Interacting Protein Kinase)信号调控网络是钙离子信号传递系统中的重要组成部分。在高等植物中，CBL能够感受细胞钙信号，并且通过与CIPK的互作传递钙信号，进而影响植物的许多生理过程。CBL-CIPK信号调控网络在植物应答多种生物和非生物胁迫中起重要作用，阐释其调控网络将有助于揭示植物响应与适应逆境胁迫的机理。本论文以CBL-CIPK钙信号调控网络中的两个基因SOS1和MtCIPK12为切入点，探讨了SOS1和MtCIPK12在苜蓿耐盐和耐低铁胁迫中的作用。 本论文首先通过比较黄花苜蓿和蒺藜苜蓿对盐胁迫的响应，发现黄花苜蓿的耐盐胁迫能力显著高于蒺藜苜蓿，并探讨了黄花苜蓿耐盐的生理和分子机理;此外，以蒺藜苜蓿野生型以及MtCIPK12过表达株系和突变体为材料，研究了MtCIPK12基因在苜蓿钠累积和铁缺乏中的作用。论文的主要研究结果如下: (1)从生理和分子水平比较研究了黄花苜蓿和蒺藜苜蓿的耐盐特性，发现黄花苜蓿的耐盐性高于蒺藜苜蓿。在盐胁迫条件下，黄花苜蓿能够通过根吸收和木质部装载有效地降低体内钠离子累积和提高钾离子累积，降低钠离子对植物的毒害作用，从而提高黄花苜蓿的耐盐胁迫能力。此外，黄花苜蓿体内的可溶性糖含量在正常和盐胁迫条件下均为蒺藜苜蓿的两倍，保证了其渗透浓度高于蒺藜苜蓿，有利于黄花苜蓿在盐胁迫条件下维持较低的水势，利于水分吸收。 (2)SOS1是CBL4/SOS3-CIPK24/SOS2-SOS1信号通路的靶基因，编码一个位于质膜上的Na+/H+转运蛋白，其功能是介导钠离子排出细胞。在正常和盐胁迫条件下，黄花苜蓿SOS1的表达量都远高于蒺藜苜蓿，这一结果说明黄花苜蓿SOS1的大量表达有助于钠离子的排出，从而维持其体内低钠环境达到耐盐目的。 (3)本研究利用传统的嫁接技术进一步探讨黄花苜蓿的耐盐机理。结果显示，黄花苜蓿无论作为接穗还是砧木都能够显著提高嫁接苜蓿的耐盐性，说明黄花苜蓿无论地上部还是根系都参与了其耐盐过程。在分子水平上，黄花苜蓿作为接穗和砧木都显著提高了嫁接苜蓿SOS1表达量。这一结果表明，SOS1介导的苜蓿体内钠离子的排出是黄花苜蓿耐盐的决定性因素。 (4)本论文利用实验室构建的抑制性差减杂交文库挑选了一个钙信号调控网络的基因MtCIPK12，并利用该基因过表达株系、突变体以及野生型为材料研究了该基因在响应盐胁迫和低铁胁迫中的作用。基因表达模式和逆境胁迫分析结果表明，MtCIPK12对多种逆境和养分胁迫都有响应。利用酵母双杂交和BiFC技术，筛选到了能与MtCIPK12互作的MtCBLs蛋白家族成员MtCBL8、10、13，并在酵母cDNA文库中筛选到MtCBLs-MtCIPK12信号通路中可能的互作蛋白。 (5)本论文对MtCBLs-MtCIPK12与盐胁迫和低铁胁迫的响应进行了研究。盐胁迫处理后，野生型、过表达株系和突变体植株体内的钠离子含量没有显著差别，说明MtCBLs-MtCIPK12可能不参与调节盐胁迫条件下苜蓿钠离子的累积。低铁表型表明MtCIPK12基因功能缺失导致苜蓿更耐低铁;同时发现突变体根系能够分泌与铁吸收利用有关的物质。低铁处理后突变体能通过调用根部质外体铁库中的铁来满足其对铁的需求，提高其耐低铁胁迫的能力。进一步研究发现，核黄素和类黄酮物质在cipk12突变体根中的含量与过表达和野生型材料中的含量有显著差别，说明核黄素和类黄酮物质能在苜蓿根部铁的再利用中发挥作用。 综上所述，本研究证明了CBL4/SOS3-CIPK24/SOS2-SOS1信号系统中的靶向基因SOS1调节的钠离子的排出是黄花苜蓿耐盐的重要原因。MtCIPK12作为CBL-CIPK信号系统中的一员，在蒺藜苜蓿中与植株耐低铁相关，其能通过MtCBLs-MtCIPK12-次生代谢-核黄素和类黄酮物质-铁再利用的信号过程调控植株的铁吸收和利用。