响应干旱胁迫的番茄水通道蛋白基因筛选及功能分析

【作者】 李仁； 郭仰东；

【机构】 中国农业大学农学与生物技术学院； 中国农业科学院蔬菜花卉研究所；

【摘要】 水通道蛋白可能与植物对干旱胁迫的耐性有密切联系。已有报道,番茄中含有47个水通道家族基因,但单个水通道蛋白以及整体家族基因在干旱胁迫下的功能尚不明确。本研究中筛选了在番茄根系中丰富表达的3个质膜型内在蛋白基因SlPIP2;1、SlPIP2;7和SlPIP2;5作为研究对象,探讨它们在响应干旱胁迫过程中的功能。番茄品种‘Micro Tom’种植于中国农业大学科学园。从番茄基因组数据库(http://solgenomics.net/)中筛选11个PIP类水通道蛋白、9个TIP类水通道蛋白作为研究候选基因。利用荧光定量PCR技术测定番茄不同组织(根、茎、叶、花)中PIP及TIP两类水通道蛋白基因的表达量。利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统、洋葱表皮细胞定位系统和原位杂交技术,对水通道蛋白的导水性、亚细胞定位及组织表达进行分析。分别利用荧光定量PCR和压力势法测定干旱胁迫下水通道蛋白基因表达水平及番茄根系的导水率。构建水通道蛋白基因过表达载体并转化番茄和拟南芥,测定转基因植株的发芽率、存活率、根系导水率及其他抗逆生理指标。GFP亚细胞定位的结果显示,SlPIP2;1、SIPIP2;7和SlPIP2;5在细胞膜上特异性表达,行使生物学功能。非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统的试验表明,这3个基因都是有转运水分功能的蛋白,能够促进水分在卵母细胞中的运输。干旱胁迫下,番茄根系的导水率下降了2.4倍,同时,实时定量PCR的结果显示SlPIP2;1、SlPIP2;7、SlPIP2;5的表达量也呈明显下降趋势,说明3个基因可能参与对干旱胁迫的响应,原位杂交的结果也支持这一推测。为了进一步研究基因的功能,分别构建了SlPIP2;1、SlPIP2;7、SlPIP2;5的过表达载体,并转化了番茄和拟南芥。与对照植株相比,SlPIP2;1、SlPIP2;7、SlPIP2;5的番茄和拟南芥的过表达植株在正常生长和干旱胁迫下的发芽率、根系导水率和存活率都提高。转基因番茄植株在干旱胁迫下其相对含水量(RWC)高于对照植株,而丙二醛(MDA)含量则较低。综上可知,水通道蛋白基因(SlPIP2;1、SlPIP2;7、SlPIP2;5)是通过提高植物含水量和维持水分平衡的方式参与番茄幼苗根系中的水分运输。更多还原