Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| DOI | 10.27204/d.cnki.glzhu.2021.002097 |
| 旱生植物沙芥耐氯性及其Cl~-转运关键基因的功能研究 | |
| 崔彦农 | |
| 出版年 | 2021 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 兰州大学 |
| 中文摘要 | 干旱和土壤盐渍化是限制我国北方地区农业生产的主要环境因素。农作物和牧草因长期生长在优裕的耕作条件下,其抗逆性的遗传潜力十分有限。分布于极端环境中的旱生植物和盐生植物进化出了独特的抗逆机制,因此蕴含着丰富的基因资源;深入解析这些野生植物的抗逆机理,可为农作物和牧草抗逆性的遗传改良提供重要的理论依据。沙芥(Pugionium cornutum)为分布于我国西北荒漠区的旱生植物,具有极强的抗旱和耐盐能力。前期研究发现,盐和干旱胁迫下沙芥能够大量吸收Cl~-并将其转运至叶中作为一种有益的渗透调节物质,这是该植物适应盐渍和干旱环境的重要生理策略,但有关高盐条件下Cl~-在沙芥叶片膨压生成和叶细胞生长中的有益作用仍不明确,且沙芥体内Cl~-转运分子机制尚不清楚。鉴于此,本论文首先通过比较不同Cl~-盐(KCl和Na Cl)和NO_3~-盐(KNO_3和Na NO_3)处理对沙芥叶片水势、渗透势和膨压的影响,以及各处理下叶表皮细胞和叶肉细胞形态的差异,以进一步确定沙芥耐氯性;在此基础上,克隆了沙芥液泡Cl~-区域化、Cl~-从根向地上部长距离运输和根系Cl~-吸收相关功能基因,利用实时定量PCR、原位杂交、烟草(Nicotiana tabacum)叶表皮细胞瞬时表达和酵母异源表达系统分析了其表达模式、组织和亚细胞定位、以及离子转运特性,并在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中验证了它们的功能。取得了如下主要结果:1.50 m M KCl处理能显著促进沙芥幼苗的生长,但50 m M KNO_3处理对植株的生长无明显影响;50 m M Na Cl处理下沙芥的生长虽受到轻微抑制,但明显优于50 m M Na NO_3处理下的植株;同时,KCl和Na Cl处理下沙芥地上部Cl~-积累量远超大多数植物的耐受范围,表明沙芥为一种典型的耐氯植物。2.沙芥各组织中K~+及Na~+含量在KCl和KNO_3处理间、Na Cl和Na NO_3处理间均无显著差异,但KCl和Na Cl处理下叶片膨压、面积和厚度、叶肉细胞和叶表皮细胞体积均分别显著高于KNO_3和Na NO_3处理,表明Cl~-在沙芥地上部的大量积累可通过增强叶细胞的渗透调节能力从而促进叶片的生长。3.沙芥液泡膜Cl~-通道基因Pc CLCg在地上部的表达量显著高于根中,在叶表皮细胞和叶肉细胞高丰度表达,其在地上部的表达量同时受Na Cl和KCl处理的显著诱导。Pc CLCg定位于液泡膜,在酵母异源表达系统中介导液泡Cl~-区域化,且对Cl~-的转运活性与拟南芥At CLCg相同。将Pc CLCg在拟南芥野生型中超表达或atclcg突变体中回补后,高盐胁迫下转基因株系地上部生物量、含水量和Cl~-含量显著高于WT或atclcg突变体,表明Pc CLCg的表达可通过增强地上部细胞液泡Cl~-区域化能力,进而提高植株的耐盐性。4.沙芥慢速阴离子通道基因Pc SLAH1在根中的表达量远高于地上部,且仅在根中柱细胞表达;与拟南芥At SLAH1的表达模式不同,Pc SLAH1在沙芥根中的表达量受Cl~-盐处理的显著诱导。将Pc SLAH1在拟南芥野生型或atslah1突变体根中柱特异性表达后,75 m M Na Cl和KCl处理下转基因株系地上部Cl~-含量显著高于WT或atslah1突变体,但75 m M Na NO_3处理下转基因株系各组织中NO_3~-含量较WT或atslah1突变体无明显差异,表明Pc SLAH1参与盐胁迫下Cl~-由植株根向地上部的长距离运输。5.在atslah1突变体中分别转入Pc SLAH1和At SLAH1后,在二者表达量一致的前提下,Na Cl处理下转化前者的株系地上部Cl~-含量显著高于转化后者的株系,可见Pc SLAH1调控Cl~-长距离运输的能力强于At SLAH1。6.沙芥硝酸根/寡肽转运蛋白基因Pc NPF6.4a仅在地上部表达,且表达量同时受高浓度Na Cl、KCl和Na NO_3的大幅诱导。Pc NPF6.4b在根中的表达量显著高于地上部,且仅在根中的表达量受Cl~-盐处理的大幅诱导。Pc NPF6.4a和Pc NPF6.4b均定位于细胞质膜;在酵母异源表达系统中,Pc NPF6.4b介导细胞Cl~-吸收,推测Pc NPF6.4b参与高盐条件下沙芥根系对Cl~-的吸收。综上,沙芥对外界高浓度Cl~-具极强的适应性,且Cl~-盐处理下其可将大量Cl~-积累在叶中作为一种有益的渗透调节物质以改善叶片的水分状况并促进叶细胞的生长;同时,沙芥Pc CLCg、Pc SLAH1和Pc NPF6.4b分别是介导地上部细胞液泡Cl~-区域化、Cl~-从根向地上部长距离运输和根系Cl~-吸收的关键蛋白。以上结果为进一步深入解析沙芥适应盐渍环境的分子机制提供了理论依据。 |
| 中文关键词 | Cl~- ; 沙芥 ; 旱生植物 ; 耐盐性 ; CLCg ; SLAH1 ; NPF6.4 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | Q943.2 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/373176 |
| 作者单位 | 兰州大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔彦农. 旱生植物沙芥耐氯性及其Cl~-转运关键基因的功能研究[D]. 兰州大学,2021. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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