氮信號(hào)調(diào)控番茄鹽堿適應(yīng)機(jī)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(guān)于中性鹽對(duì)蔬菜作物的脅迫及調(diào)控研究已有大量報(bào)道，而堿性鹽脅迫對(duì)蔬菜作物影響的研究報(bào)道相對(duì)較少。番茄（Solanum lycopersicum L.）是我國(guó)主要的茄果類蔬菜作物之一，在露地及設(shè)施中均廣泛種植，屬中等耐鹽堿蔬菜作物。經(jīng)過(guò)栽培技術(shù)革新或品種改良的番茄可用于我國(guó)鹽堿地區(qū)的蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因而，明確鹽、堿脅迫對(duì)番茄影

2、響的差異，探明番茄的耐鹽、堿機(jī)制，尋找并利用耐鹽、堿基因，對(duì)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(duì)NaCl和NaHCO3脅迫的生理響應(yīng)差異
　　隨著營(yíng)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(guān)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(zhǎng)抑制。NaCl和NaHCO3脅迫均可誘導(dǎo)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(dǎo)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(xì)胞色素氧化酶呼吸途徑(p'Vcyt)轉(zhuǎn)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(yán)重的破壞了番茄的抗氧化系統(tǒng)，且對(duì)根系的破壞程度遠(yuǎn)大于葉片。綜上所述，相同濃度的NaHCO3對(duì)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(jī)酸和提高抗氧化系統(tǒng)運(yùn)行活性是其抵抗鹽、堿脅迫的重要生理機(jī)制。
　　2 NaCl和NaHCO3脅迫下番茄根系的蛋白質(zhì)組學(xué)研究
　　通過(guò)比較NaCl和NaHCO3脅迫對(duì)番茄葉片和根系的

5、生理響應(yīng)差異，發(fā)現(xiàn)直接暴露于鹽、堿環(huán)境中的根系對(duì)脅迫響應(yīng)更為敏感。據(jù)此，采用同位素相對(duì)標(biāo)記與絕對(duì)定量（iTRAQ）技術(shù)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(jī)制。以差異倍數(shù)大于1.2倍為界，NaCl脅迫誘導(dǎo)了70個(gè)蛋白上調(diào)表達(dá)，80個(gè)蛋白下調(diào)表達(dá);而NaHCO3脅迫誘導(dǎo)了114個(gè)蛋白上調(diào)表達(dá)，83個(gè)蛋白下調(diào)表達(dá)。其中NaCl和NaHCO3脅迫下共同上調(diào)蛋

6、白39個(gè)，共同下調(diào)蛋白30個(gè)。這說(shuō)明番茄根系對(duì)NaCl和NaHCO3脅迫的響應(yīng)既有共性又各具特點(diǎn)。Pathway富集分析表明，NaHCO3較NaCl脅迫更嚴(yán)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(dǎo)脂肪酸組分氧化降解。同時(shí)，NaCl和NaHCO3脅迫均不同程度的誘導(dǎo)了抗氧化系統(tǒng)和病程相關(guān)蛋白的上調(diào)表達(dá)。另外，番茄根系在應(yīng)對(duì)NaCl和NaHCO3脅迫上采用不同的形式調(diào)控ABA和Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)等代謝途徑。

7、通過(guò)iTRAQ技術(shù)，本研究發(fā)現(xiàn)NaCl和NaHCO3脅迫對(duì)番茄的影響及差異主要集中在物質(zhì)和能量代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、ROS代謝、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和病程防御五個(gè)方面。
　　3外源PAs和NO對(duì)堿性鹽脅迫下番茄的緩解效應(yīng)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究
　　PAs和NO作為植物內(nèi)源信號(hào)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(duì)番茄幼苗的傷害。這與PAs和NO可調(diào)控礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)平衡、ROS代謝及保護(hù)光合機(jī)構(gòu)

8、密切相關(guān)。進(jìn)一步研究表明，PAs和NO可以相互誘導(dǎo)積累。并且NO清除劑(cPTIO)可以降低PAs的保護(hù)功能，而PAs合成抑制劑(MGBG)對(duì)NO誘導(dǎo)的保護(hù)效應(yīng)影響較小。為了深入闡明PAs和NO誘導(dǎo)的堿性鹽脅迫保護(hù)機(jī)制，本文通過(guò)qRT-PCR技術(shù)分析了脅迫相關(guān)基因的表達(dá)模式。PAs和NO能顯著提高質(zhì)膜Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體（SlSOS1）、液泡膜Na/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(SlNHX1和SlNHX2)、Na+運(yùn)載體、及ROS、MAPK和Ca2

9、+等信號(hào)相關(guān)元件和脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。這些變化在調(diào)控植物脅迫適應(yīng)性中發(fā)揮著重要作用。
　　4超表達(dá)SlSAMS1基因提高番茄堿性鹽抵抗能力的機(jī)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(guān)鍵酶。本研究采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將番茄SlSAMS1基因?qū)胍吧头?。超表達(dá)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(yíng)養(yǎng)平衡，維護(hù)光合機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，降低ROS傷害等?；铙w和離體試驗(yàn)均

10、表明超表達(dá)SlSAMS1基因誘導(dǎo)的堿性鹽脅迫保護(hù)機(jī)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(hào)。長(zhǎng)期弱堿性鹽脅迫下，采用超表達(dá)SlSAMS1基因的番茄作為砧木能夠提供強(qiáng)健的根系，增加PAs的積累和向地上部接穗的運(yùn)輸，提高元素吸收和利用，降低Na+向地上部接穗的轉(zhuǎn)運(yùn)，因而可以提高果實(shí)的產(chǎn)量。
　　5超表達(dá)SlSAMS1基因提高番茄耐旱性和耐鹽性的機(jī)理研究
　　本研究表明，超表達(dá)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(dá)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(dá)SlSAMS1基因可顯著降低番茄葉片的水分耗散。進(jìn)一步研究表明，SlSAMS1基因是一個(gè)ABA響應(yīng)基因，超表達(dá)SlSAMS1基因有助于放大干旱脅迫誘導(dǎo)的ABA信號(hào)，且PAO異化PAs產(chǎn)生的H2O2信號(hào)在這一響應(yīng)過(guò)程中亦發(fā)揮著重要作用。本研究表明，超表達(dá)SlSAMS1基因是通過(guò)介導(dǎo)ABA誘

12、導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，調(diào)節(jié)滲透脅迫下番茄葉片的水分耗散來(lái)提高番茄耐旱性的。
　　6過(guò)量、抑制表達(dá)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(guān)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(dǎo)內(nèi)源NO含量的上升。本研究采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法向番茄中遺傳轉(zhuǎn)化了SlGSNOR基因，并獲得過(guò)量和抑制表達(dá)SlGSNOR基因的轉(zhuǎn)基因番茄株系。通過(guò)耐鹽堿性評(píng)估，本研究表明超表達(dá)SlGSNOR