氮信號調(diào)控番茄鹽堿適應機理及SAMS和GSNOR基因的功能研究.pdf

1、全球約有鹽堿土8.31億hm2，占可耕地面積的10％。其中，中性鹽土占3.97億hm2，堿性鹽土占4.34億hm2。關于中性鹽對蔬菜作物的脅迫及調(diào)控研究已有大量報道，而堿性鹽脅迫對蔬菜作物影響的研究報道相對較少。番茄（Solanum lycopersicum L.）是我國主要的茄果類蔬菜作物之一，在露地及設施中均廣泛種植，屬中等耐鹽堿蔬菜作物。經(jīng)過栽培技術革新或品種改良的番茄可用于我國鹽堿地區(qū)的蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因而，明確鹽、堿脅迫對番茄影

2、響的差異，探明番茄的耐鹽、堿機制，尋找并利用耐鹽、堿基因，對鹽堿地地區(qū)番茄可持續(xù)生產(chǎn)具有重要的意義。
　　1番茄幼苗對NaCl和NaHCO3脅迫的生理響應差異
　　隨著營養(yǎng)液中NaCl和NaHCO3脅迫濃度的增加，番茄幼苗的生物量積累、光合作用、葉綠素含量、呼吸作用、氮代謝相關酶活性、礦質(zhì)元素含量顯著降低;Na+含量、Na+/K+比、ROS含量和MDA含量顯著上升。與NaCl脅迫相比，相同濃度的NaHCO3脅迫更顯著的引起了

3、番茄幼苗的葉片失綠、氧化傷害和生長抑制。NaCl和NaHCO3脅迫均可誘導番茄根系積累酒石酸、草酸和蘋果酸，而NaHCO3脅迫特異性的誘導番茄根系積累檸檬酸、琥珀酸和乳酸。低濃度NaCl和NaHCO3脅迫促使番茄根系呼吸電子傳遞途徑由細胞色素氧化酶呼吸途徑(p'Vcyt)轉向交替氧化酶呼吸途徑(pValt)，并提高SOD、POD、CAT、APX、DHAR、GR活性及ASA和GSH含量。這是番茄抵抗NaCl和NaHCO3引起的ROS傷害的

4、主要形式。但高濃度鹽分下，NaHCO3較NaCl脅迫更嚴重的破壞了番茄的抗氧化系統(tǒng)，且對根系的破壞程度遠大于葉片。綜上所述，相同濃度的NaHCO3對番茄幼苗的脅迫程度大于NaCl,這與NaHCO3脅迫兼具Na+脅迫和高pH脅迫密不可分。番茄積累有機酸和提高抗氧化系統(tǒng)運行活性是其抵抗鹽、堿脅迫的重要生理機制。
　　2 NaCl和NaHCO3脅迫下番茄根系的蛋白質(zhì)組學研究
　　通過比較NaCl和NaHCO3脅迫對番茄葉片和根系的

5、生理響應差異，發(fā)現(xiàn)直接暴露于鹽、堿環(huán)境中的根系對脅迫響應更為敏感。據(jù)此，采用同位素相對標記與絕對定量（iTRAQ）技術分析了50mM NaCl和NaHCO3脅迫3d后的番茄根系蛋白質(zhì)組，以期更為系統(tǒng)和深入的闡明鹽、堿迫的差異及番茄的耐鹽、堿機制。以差異倍數(shù)大于1.2倍為界，NaCl脅迫誘導了70個蛋白上調(diào)表達，80個蛋白下調(diào)表達;而NaHCO3脅迫誘導了114個蛋白上調(diào)表達，83個蛋白下調(diào)表達。其中NaCl和NaHCO3脅迫下共同上調(diào)蛋

6、白39個，共同下調(diào)蛋白30個。這說明番茄根系對NaCl和NaHCO3脅迫的響應既有共性又各具特點。Pathway富集分析表明，NaHCO3較NaCl脅迫更嚴重的抑制了番茄根系的氮代謝途徑、呼吸及電子傳遞途徑，并誘導脂肪酸組分氧化降解。同時，NaCl和NaHCO3脅迫均不同程度的誘導了抗氧化系統(tǒng)和病程相關蛋白的上調(diào)表達。另外，番茄根系在應對NaCl和NaHCO3脅迫上采用不同的形式調(diào)控ABA和Ca2+信號轉導，以及離子跨膜轉運等代謝途徑。

7、通過iTRAQ技術，本研究發(fā)現(xiàn)NaCl和NaHCO3脅迫對番茄的影響及差異主要集中在物質(zhì)和能量代謝、信號轉導、ROS代謝、離子轉運和病程防御五個方面。
　　3外源PAs和NO對堿性鹽脅迫下番茄的緩解效應及信號轉導途徑研究
　　PAs和NO作為植物內(nèi)源信號分子，在調(diào)控植物非生物脅迫耐受性中發(fā)揮著重要作用。本研究表明，外源PAs和NO均可緩解堿性鹽脅迫對番茄幼苗的傷害。這與PAs和NO可調(diào)控礦質(zhì)營養(yǎng)平衡、ROS代謝及保護光合機構

8、密切相關。進一步研究表明，PAs和NO可以相互誘導積累。并且NO清除劑(cPTIO)可以降低PAs的保護功能，而PAs合成抑制劑(MGBG)對NO誘導的保護效應影響較小。為了深入闡明PAs和NO誘導的堿性鹽脅迫保護機制，本文通過qRT-PCR技術分析了脅迫相關基因的表達模式。PAs和NO能顯著提高質(zhì)膜Na+/H+反向轉運體（SlSOS1）、液泡膜Na/H+反向轉運體(SlNHX1和SlNHX2)、Na+運載體、及ROS、MAPK和Ca2

9、+等信號相關元件和脅迫相關轉錄因子的表達。這些變化在調(diào)控植物脅迫適應性中發(fā)揮著重要作用。
　　4超表達SlSAMS1基因提高番茄堿性鹽抵抗能力的機理研究
　　SAMS是控制PAs和乙烯代謝的共同前體物質(zhì)—SAM生物合成的關鍵酶。本研究采用農(nóng)桿菌介導法將番茄SlSAMS1基因?qū)胍吧头?。超表達SlSAMS1基因顯著提高了番茄的堿性鹽抵抗能力，主要體現(xiàn)在其調(diào)控礦質(zhì)營養(yǎng)平衡，維護光合機構穩(wěn)定，降低ROS傷害等?；铙w和離體試驗均

10、表明超表達SlSAMS1基因誘導的堿性鹽脅迫保護機制主要依賴于Spd和Spm的積累，以及其下游的PAO異化分解PAs產(chǎn)生的H2O2信號。長期弱堿性鹽脅迫下，采用超表達SlSAMS1基因的番茄作為砧木能夠提供強健的根系，增加PAs的積累和向地上部接穗的運輸，提高元素吸收和利用，降低Na+向地上部接穗的轉運，因而可以提高果實的產(chǎn)量。
　　5超表達SlSAMS1基因提高番茄耐旱性和耐鹽性的機理研究
　　本研究表明，超表達SlSAM

11、S1基因也可顯著提高番茄幼苗的耐旱性和耐鹽性。這一方面依賴于超表達SlSAMS1基因可提高脅迫條件下番茄幼苗的光合能力和抗氧化能力，另一方面依賴于超表達SlSAMS1基因可顯著降低番茄葉片的水分耗散。進一步研究表明，SlSAMS1基因是一個ABA響應基因，超表達SlSAMS1基因有助于放大干旱脅迫誘導的ABA信號，且PAO異化PAs產(chǎn)生的H2O2信號在這一響應過程中亦發(fā)揮著重要作用。本研究表明，超表達SlSAMS1基因是通過介導ABA誘

12、導的氣孔關閉，調(diào)節(jié)滲透脅迫下番茄葉片的水分耗散來提高番茄耐旱性的。
　　6過量、抑制表達SlGSNOR基因?qū)Ψ阎仓昴望}堿性的影響
　　GSNOR是控制植物內(nèi)源NO平衡的關鍵酶，高活性的GSNOR通常降低內(nèi)源NO水平，而低活性的GSNOR則誘導內(nèi)源NO含量的上升。本研究采用農(nóng)桿菌介導法向番茄中遺傳轉化了SlGSNOR基因，并獲得過量和抑制表達SlGSNOR基因的轉基因番茄株系。通過耐鹽堿性評估，本研究表明超表達SlGSNOR