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植物体是一个开放的体系生存于自然环境。天南地北,水热条件相差悬殊,即使同一个地区,一年四季也有冷热旱涝之分。有些农作物不能适应这些不良环境,严重时会导致绝产。因此提高植物的抗逆性对植物的生存、生长、提高作物产量具有十分重要的意义。 STP1(START domains protein1,At1g55960)是拟南芥START(thelipid/sterol-binding StAR-related lipid transfer protein domains)结构蛋白家族一员,仅含有START结构域,功能未知。STP1与拟南芥中已知功能的START家族同源关系较远,但与哺乳动物中的START家族同源关系较近,为明确STP1及START结构域的功能及在进化中的地位,本研究对STP1的结构及启动子响应元件、时空表达特性、生物学功能及作用机制进行了分析,获得以下主要结果: 1.STP1的生物信息学分析。STP1由403个氨基酸组成,分子量为45323.6 Da,是疏水蛋白;具有磷脂酰胆碱结合位点;含有跨膜结构;STP1蛋白的二级结构由148个螺旋,46个折叠,199个卷曲组成;STP1上游启动子序列包含了很多参与拟南芥抗逆防御、响应环境刺激和激素相关的元件;SSMP是已知的参与拟南芥调控渗透胁迫反应机制的基因,拟南芥中STP1与SSMP同源性最高。推测STP1基因很可能参与植物对渗透胁迫的调控过程。 2.STP1的表达模式分析。对STP1在拟南芥中的组织定位进行分析,幼苗时期主要在下胚轴、子叶、真叶部位,年长部位比幼嫩部位表达量高;成苗时在根、莲座叶、茎生叶叶腋、花(萼片和花瓣的疏导组织、花丝、花药、柱头)、角果的顶端和基部都有大量表达。对STP1的亚细胞定位分析,观察发现STP1主要定位于细胞质膜上。对STP1基因在拟南芥中的时空表达情况进行分析,随着拟南芥生长天数的增加,STP1基因的表达量明显升高;在拟南芥生长6周时取样,对拟南芥各个部位进行分析,结果表明STP1基因在拟南芥根、莲座叶、茎生叶、花、果荚都有表达。 3.STP1的生物学功能分析。对正常生长的过表达STP1、野生型WT和T-DNA插入突变体株系表型观察,发现在整个生长周期内表型并无明显差异,长势基本一致。用150 mM NaCl和300 mM甘露醇处理生长4周的野生型Col-0拟南芥,随着NaCl和甘露醇处理时间的延长,STP1基因的表达量逐渐降低,用150 mM NaCl处理组织定位转基因拟南芥,发现GUS染色比对照颜色浅,表明渗透胁迫处理抑制了STP1基因的表达。把Col-0野生型、过表达STP辟专基因拟南芥(STP1-OE)和T-DNA插入突变体(stp1)拟南芥分别点种于含有NaCl、甘露醇的1/2MS培养基上,统计萌发率、绿叶率和根长,发现STP1-OE转基因拟南芥萌发率、绿叶率和根长明显低于Col-0野生型拟南芥,stp1拟南芥的萌发率、绿叶率和根长与Col-0野生型拟南芥差异不显著;同时对3个株系成苗进行NaCl、甘露醇处理,发现过表达株系萎蔫,而突变体和野生型表型基本一致;表明过表达STP1基因拟南芥对渗透胁迫敏感性增加,stp1突变体可能由于基因冗余性对渗透胁迫不敏感。 4.STP1调控拟南芥抗逆的分子机制研究。过表达STP1转基因拟南芥失水率高于野生型拟南芥和T-DNA插入突变体拟南芥,野生型和stp1突变体拟南芥之间差异不明显。NaCl、甘露醇处理后,过表达拟南芥株系中脯氨酸、甜菜碱含量明显低于野生型拟南芥,丙二醛含量明显高于野生型拟南芥,而stp1突变体和野生型拟南芥差异不明显,表明过表达STP1的转基因拟南芥抑制了渗透调节物质脯氨酸、甜菜碱的积累,促进了丙二醛的积累使膜损伤程度加重。NaCl、甘露醇处理后,NaCl胁迫相关基因SOS1、SOS2、SOS3、HKT1及甘露醇胁迫相关基因CIPK3、NCED3在过表达拟南芥株系中的表达都明显低于野生型拟南芥,而在stp1突变体和野生型拟南芥中表达量差异不明显。表明过表达STP1影响了这些渗透胁迫信号途径。构建了STP1的pull-down表达载体,为下一步pull-down试验打下基础。 基于上述研究结果,表明NaCl、甘露醇胁迫抑制STP1基因的表达,STP1在拟南芥渗透调节机制中起负调控作用。在渗透胁迫环境下,STP1通过调控脯氨酸、甜菜碱的合成,以及SOS、NCED、PICK途径关键基因的表达来响应拟南芥的抗渗透胁迫能力。