盐芥阳离子/质子转运体基因TsCHX18在玉米中表达对植株耐盐性的影响

【摘要】：盐胁迫所引起的谷物的减产每年造成数十亿美元的损失。盐碱地约占了全球陆地面积的百分之七,改良盐碱地和减少土壤盐渍化而提高作物产量是全球关注的课题。当植物遭遇渗透胁迫时,细胞会合成大量的渗透质如脯氨酸、甘露醇等来维持细胞的渗透压,对抗胞外高盐分环境。但是从头合成渗透质来减缓盐胁迫是一个相对缓慢的过程,且无法有效缓解离子毒害。植物另一套应对离子胁迫的机制是维持胞内离子平衡。植物体内负责调控离子平衡的蛋白质主要有:H+-ATPase、H+-PPase、次级转运蛋白以及各种离子通道蛋白。K+是植物组织中含量最多的矿质元素,植物含有众多编码钾离子转运体和钾离子通道蛋白的基因,以完成对钾的有效吸收和其在各种组织间的运输。K+的吸收主要有两种机制,即低亲和钾转运机制(主要由K+通道负责)和高亲和钾转运机制(由高亲和性K+转运体完成)。高亲和K+转运体主要存在于4个基因家族中,即Trk/HKT(high-affinity potassium transporter)、KEA(K+/H+ antiporters)、CHX(cation/H+ antiporters)和 KT/KUP/HAK(K+ transporter/K+ uptake permease/High-affinity K+transporter)。本研究将从盐生植物盐芥中克隆的TsCHX18基因,用携带Mini-Ti质粒pCAMBIA3300-P35S-bar-P35S-TsCHX18的农杆菌 LBA4404 侵染玉米幼苗的茎尖生长点,获得了转TsCHX18植株,利用PCR鉴定和除草剂草丁膦抗性筛选,选择转TsCHX18 T2代纯合系。通过半定量RT-PCR和qRT-PCR检测,确定了外源基因已在玉米植株中活跃表达并稳定遗传给后代,暗示目标基因已经整合到玉米基因组中。转TsCHX18株系耐盐性分析中,分别在种子萌发期和苗期,以受体自交系为对照,对3个来自不同独立转化体的株系进行了盐胁迫试验。当转TsCHX18株系和对照株系的种子在不加NaCl条件下萌发时,萌发率和萌发势无明显差别;在100 mM NaCl浓度和150 mM NaCl浓度下,转TsCHX18株系的萌发率和萌发势均显著优于对照株系的,特别是根部发育受抑制程度较低。对溶液培养至两叶一心期的幼苗,即玉米对盐胁迫最敏感时期的植株进行100 mM NaCl盐胁迫处理,持续时间2周。结果显示转TsCHX18株系只受到轻微损伤,根长以及侧根发育较好,而对照株系的植株叶片开始枯萎且根系受抑制严重,即转TsCHX18基因提高了玉米苗期的耐盐性,大大改善了玉米在高盐度环境中的耐受能力。而各项生理学参数测定也表明,转TsCHX18株系的耐盐性也要好于对照株系。在大田栽培条件下,转TsCHX18株系基本保持良好的的形态特征、生殖发育及抗病性。而在滨海盐碱地表现出明显改进的耐盐性,果穗性状好,在穗长、行粒数和百粒重等方面均显著或极显著优于对照株系的。综上所述,盐芥TsCHX18在玉米中活跃表达显著提高了植株的耐盐性,为耐盐性玉米育种提供了种质资料。