小麦扩展蛋白基因TaEXPA2在镉胁迫耐性中的功能分析

发布时间：2020-05-15 01:51

【摘要】：镉(Cd)是世界上最严重、毒性最大的重金属污染物之一,严重影响植物的生长发育。提高植物的镉胁迫耐性对保障粮食安全与产量具有重要的意义。提高植物的镉胁迫耐性有很多种途径,其中就包括改调控相关基因的表达。扩展蛋白是一种调节细胞壁松弛,促进细胞伸长生长的细胞壁蛋白,几乎存在于植物所有的细胞、组织和器官中。已有研究证明,扩展蛋白参与了多种植物的生长发育过程及逆境适应性响应。扩展蛋白由多个基因家族组成,包括EXPA、EXPB、EXLA和EXLB家族,其中,EXPA和EXPB是两个最大、研究最多的家族。本实验室前期从小麦HF9703中克隆得了EXPA家族扩展蛋白基因TaEXPA2。为研究该基因在植物调控生长发育及非生物胁迫耐性中的功能,我们构建组成型表达载体,转化模式植物烟草,得到了过表达TaEXPA2的转基因烟草株系。本研究分析了TaEXPA2过表达转烟草的镉胁迫耐性及其作用机理。其主要结论如下:(1)qRT-PCR分析了小麦扩展蛋白基因TaEXPA2的表达对镉胁迫的响应。结果表明,镉胁迫下,该基因在小麦叶片中上调表达,呈现先上升、后下降的趋势。(2)对转基因烟草进行PCR筛选鉴定,获得三个阳性转基因株系。用不同浓度的CdCl_2对不同生长时期的转基因烟草进行镉胁迫处理,研究转基因植株的镉胁迫耐性。结果发现,在镉胁迫下,与野生型相比,转基因烟草种子萌发率较高,主根较长,生物量积累明显增多;成苗期转基因植株的光合速率及相关参数均有所改善。表明TaEXPA2的过量表达提高了转基因烟草对镉胁迫的耐受性。(3)接下来分析了过表达TaEXPA2基因提高转基因植株镉胁迫耐性的机制。在细胞水平上,电镜分析发现,镉胁迫下,转基因植株的细胞结构受损情况小于野生型植株,具体表现为叶绿体、线粒体及细胞核的降解程度低于野生型,且质壁分离现象少于野生型。在生理水平上,镉胁迫下,TaEXPA2过表达转基因烟草细胞受损伤程度明显小于野生型,MDA含量及相对电导率也低于野生型,说明过表达转基因烟草的膜相对比较稳定。通过与野生型比较,我们发现TaEXPA2过表达转基因烟草抗氧化能力显著优于野生型烟草。在镉胁迫下,转基因烟草的过氧化氢含量及超氧阴离子产生速率低于野生型,而超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性显著高于野生型。证明TaEXPA2提高了转基因烟草的抗氧化能力。(4)分析了烟草植株根和叶中的镉离子含量,结果发现,镉胁迫下,转基因烟草的根和叶中镉离子含量均低于野生型。同时,镉胁迫下,转基因烟草植株质膜上H~+-ATP酶活性显著高于野生型,这对于促进镉离子的排出,减少镉离子的积累起着重要的作用。另外,转基因植株液泡膜上V-ATPase和PPase活性也高于野生型,这有助于镉离子进入液泡,减少镉离子在细胞质内的积累。进一步检测了10分钟内细胞中镉离子的位移变化,发现镉胁迫下,转基因烟草镉离子外流现象较为明显。以上结果表明,过表达该基因改善了转基因烟草的镉离子分布。(5)检测了转基因烟草胁迫相关基因的表达,这些基因包括质膜H~+转运基因(NtSOS,NtHKT521和NtHKT586),ROS相关基因(NTPOD和NTSOD),脯氨酸相关基因(NtP5CS)和胁迫防御相关基因(NtERD10C和NtERD10D)。结果发现,镉胁迫下这些基因在转基因植株中均比野生型植株表达量高。(6)进一步利用拟南芥同源基因突变体atexpa2研究了TaEXPA2同源基因突变对于镉胁迫耐性的影响。用1mM的CdCl_2处理后,所有拟南芥植株的生长均受抑制,但是在野生型中,这种受抑制程度小于突变体植株,而大于转基因植株。这些结果表明,TaEXPA2同源基因与植株的镉胁迫耐性密切相关。综上所述,我们的研究表明,小麦扩展蛋白基因TaEXPA2参与了植物对镉胁迫耐性的调控,TaEXPA2过表达提高了转基因烟草对镉胁迫的耐性,TaEXPA2同源基因突变增强了拟南芥对镉胁迫的敏感性。TaEXPA2转基因植株镉胁迫耐性的增强可能与其抗氧化能力的提高和镉的吸收/转运能力的提高有关。
【图文】：

生化特征,蛋白结构,生化,细胞壁

图 1-1 扩展蛋白的结构（徐筱等，2010）Fig. 1-1 The structure of expansin (Xu et al., 2010)蛋白首先被鉴定出来，它们具有细胞壁松弛-Mason et al., 1992）。在蛋白结构上，该家族扩构和生化特征的原型，这对于现代生化分子结

家族,结构域,蛋白,草类

图 1-2 扩展蛋白不同亚家族结构域的比较（Choi et al., 2006）2 Comparison of different subfamily domains of expansin（Choi et al., 2006展蛋白是在研究 EXPA 和草类花粉过敏原 group-Ⅰ间敏原 group-Ⅰ归类为 EXPB 家族（Cosgrove et al., 199轴的细胞壁几乎没有伸展能力，主要是在营养细胞中
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q943.2;S512.1

【参考文献】