植物在受到胁迫时,迅速合成并积累大量的渗透调节物质来维持植物细胞内正常生理功能,免受胁迫伤害。在许多渗透调节剂中,甜菜碱是最理想的有机小分子渗透调节物质。植物在正常生长条件下,甜菜碱在植物体内积累量很少,而当受到胁迫时,甜菜碱的含量量会迅速增加。由于甜菜碱在植物体内大量积累不会带来危害,同时能提高植物对环境胁迫的抗性。目前,对植物甜菜碱参与抗逆的分子机理的研究,已成为当前研究植物抗盐机理和培育抗盐新品种的热点。海马齿作为海滨盐生植物具有很强的抗盐能力,因此研究海马齿中的甜菜碱合成途径,及相关基因的分子特性等,对揭示甜菜碱抗盐机理具有重要意义。甜菜碱醛脱氢酶是调控甜菜碱合成的关键酶,本论文对甜菜碱脱氢酶基因在海马齿植物中的表达特性、酶的生物学特性,以及其功能和与其相关的基因调控进行了系统的研究,以期解析SpBADH基因的功能以及在海马齿抗盐过程中作用机理。主要研究结果如下：1.从海马齿中成功分离到甜菜碱醛脱氢酶基因(SpBADH登录号：JN192464)全长序列。该基因全长1947bp,包含一个1503bp的开放阅读框和57bp的5’端非编码区和387bp的3’端非编码区。编码500个氨基酸的蛋白质,分子量为55KDa。生物信息学分析表明,SpBADH蛋白质具有一个保守的蛋白醛脱氢酶催化结构域,具有保守的醛脱氢酶催化活性位点VTLELGGKSP十肽和C残基；海马齿蛋白SpBADH与千穗谷中AhBADH、菠菜SoBADH、盐爪爪KfBADH及拟南芥AtBADH有较高的同源性,分别为90%、81%、87%、79%。2..SpBADH基因在海马齿植物中的根、茎和叶中均表达,在叶中表达量最高,而在茎中表达量最低；盐胁迫能提高海马齿SpBADH基因在叶、茎中的表达,其中叶片最为敏感,茎次之,而抑制基因在根中表达；脱落酸、双氧水、PEG对海马齿植物根、茎、叶中的甜菜碱醛脱氢酶基因的表达在诱导48h后对均表现为显著提高,其中茎中甜菜碱醛脱氢酶基因的表达受脱落酸、双氧水的诱导明显高于根和叶中,而根中甜菜碱醛脱氢酶基因的表达受PEG的影响明显高于茎和叶；低温在处理0-24h,对SpBADH基因在海马齿植物根、茎、叶中的表达影响不大,低温处理48h时,基因在根、茎、叶中的表达均上升；SpBADH基因的表达受高温诱导,特别在根中,其次在叶中,而在茎中基因的诱导受高温的影响较小。600mmol/L NaCl、海水、20%PEG、H2O2和4℃胁迫均能使海马齿植物各个组织中甜菜碱的含量增加；而42℃和ABA胁迫海马齿植物,其各个组织中甜菜碱的没有显著差异。3.海马齿叶绿体中的甜菜碱醛脱氢酶的活性最高,其次细胞质,在过氧化物酶体和微粒体也能检测到,但活性较低,推测在海马齿植物中可能存在多个BADH基因。海马齿植物SpBADH基因为N-端信号肽,在转基因原生质体的叶绿体中具有强的绿色荧光,从而可以推测海马齿SpBADH基因定位于叶绿体。4.SpBADH以pET大肠杆菌表达载体,在大肠杆菌受体菌BL21(DE3)中能高效表达。它们的最优表达条件为菌体培养温度37℃,蛋白质诱导表达菌体起始OD600为0.6,诱导剂IPTG最佳浓度为0.2mmol/L,诱导时间为6h,重组菌株SpBADH表达量可以达到301μg/mL5.SpBADH基因表达大肠杆菌中分离纯化物能催化甘氨酸甜菜碱醛,生成甜菜碱,SpBADH全长基因表达的蛋白质其酶活性可以达到87U/mg,而其他三种突变体测不到酶活,从而说明我们从海马齿植物中分离的SpBADH基因具有催化甘氨酸甜菜碱醛的功能,且其保守十肽和Cys残基在SpBADH酶催化过程中起着重要的作用。SpBADH酶活的最适pH值为7.2；最适反应温度为37℃；SpBADH对高温十分敏感,温度超过55℃时酶活性只有20%；SpBADH在K+和Na+存在的条件下活性较高,而Zn2+对SpBADH有抑制作用,Cu2+对SpBADH有强抑制性,醇类物质对该酶热稳定有保护作用。6SpBADH基因表达大肠杆菌工程菌株对金属离子的耐性Na+>K+>Mn2+>Zn2+和Cu2+；对低温有一定的抵抗能力。在酵母菌缺失载体中表达进一步证明SpBADH在离子渗透作用中取到一定的作用。7.SpBADH基因在拟南芥中过量表达,在正常生长条件下和盐胁迫后,BADH酶活性和甜菜碱的含量均明显高于野生型拟南芥,提高3-6倍,转基因拟南芥的抗盐、抗旱能力明显提高。在正常生长条件下,SpBADH转基因和野生型拟南芥中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD),过氧化氢酶(CAT),脯氨基(Pro)等清除ROS的酶活性和丙二醛(MDA)和过氧化氢(H202,的含量差异不显著,而在盐和干旱处理后,POD、SOD、CAI、Pro在转基因植物中明显高于野生型拟南芥,但MDA和H2O2含量在野生型拟南芥植物中要高于转基因植物中的含量。8.SpBADH转基因拟南芥中基因表达谱芯片的差异基因按照参与的生物过程,细胞中的定位和生物学功能进行了分类。从T vs W和TS vs WS基因生物学功能比较分析NaCl胁迫条件下,上调的差异表达基因主要是参与抗逆胁迫途径当中的相关基因和参与清除ROS酶系统的基因,如：氧化还原反应、氧胁迫应答系统、应答金属离子和非生物胁迫应答等；从T vs W和TS vs WS基因细胞定位比较分析发现,NaCl胁迫条件下,上调的差异表达基因主要细胞质膜和质膜表层锚定的蛋白相关基因和组成质膜结构的差异基因；从T vs W和TS vs WS基因生物学功能比较分析NaCl胁迫条件下,上调的差异表达基因主要是离子通道相关基因和转录调控基因。9.由此推断：海马齿植物中SpBADH基因在植物耐盐和抗旱过程中,清除植物体内的ROS和离子渗透作用中取到一定的作用。