蒺藜苜蓿耐盐碱基因筛选与功能研究

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土壤的盐碱化,对农业生产造成严重破坏。近年来,对植物盐胁迫的研究已比较全面,但大多数以中性盐为主,而有关碱性盐胁迫的研究却相对较少。紫花苜蓿(Medicagosativa)是一种优质的豆科牧草,具有高蛋白含量和良好的适口性,被称为“牧草之王”。紫花苜蓿能适应中低浓度的盐碱胁迫,但是对高浓度的盐碱胁迫较为敏感。近年来土地盐碱化日益加剧,严重影响了苜蓿的产量和品质。紫花苜蓿属于异花授粉植物,是高度杂合的同源四倍体,对其进行耐盐碱机制研究十分困难。经过多国科学家十几年的研究,蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)已成为豆科植物生物学和基因组学研究的新的模式植物。蒺藜苜蓿为为自花授粉植物,基因组小、生活周期短,便于进行研究。因此,我们可以通过研究蒺藜苜蓿对盐碱胁迫的响应来揭示紫花苜蓿的耐盐碱机理,加快苜蓿耐盐碱胁迫调控机制的研究进程。为了筛选蒺藜苜蓿响应盐碱胁迫的基因,我们构建了蒺藜苜蓿野生型(R108)叶片在盐碱胁迫下的mRNA和small RNA文库,并进行高通量测序,获得大量响应盐碱胁迫的差异表达基因和miRNAs(microRNAs)。通过对差异表达miRNAs的筛选,我们得到了对盐碱胁迫显著响应的miRNA家族,包括MtmiR156、MtmiR160、MtmiR1 64、MtmiR1 66、MtmiR169、MtmiR2111、MtmiR2592、MtmiR398、MtmiR399和MtmiR5229。其中,MtmiR160和MtmiR166对于盐碱胁迫响应的趋势是一致的,它们可能冗余地参与到蒺藜苜蓿耐盐碱胁迫调控进程中。通过对差异表达基因的功能分类和通路分析,我们发现,在碱处理中,差异表达基因主要在昼夜节律、淀粉和糖代谢、氨基酸与碳代谢、MAPK信号过程等通路富集;盐胁迫特异响应的差异表达基因,主要在MAPK信号通路、植物激素信号转导、昼夜节律、核糖体、淀粉和糖代谢等通路中富集。MtmiR166是从盐碱处理后蒺藜苜蓿野生型植株的转录组数据中筛选出来的,它在盐、碱处理以及盐碱混合处理1天、7天时表达量均发生变化,同时,它的靶基因HD-Zip Ⅲ(Homeodomain Leu Zipper Ⅲ)家族成员也受到盐碱胁迫的诱导。我们以实验室已有的蒺藜苜蓿35S:MtmiR166以及35S:MtREV(MtREVOLUTA)转基因植株为材料,开展MtmiR166/MtREV调控单元参与调控盐碱胁迫的研究。我们发现在盐碱条件下,蒺藜苜蓿35S:MtmiR166转基因株系表现出敏感的表型,体内积累较多的 MDA(Malondialdehyde,丙二醛),总 SOD(Superoxide dismutase,超氧化物歧化酶)活性低于野生型,MtSOD1和MtSOD2表达水平低于野生型。而35S:MtREV转基因株系,对盐碱胁迫具有一定的耐受性,体内积累较少的MDA,总SOD活性高于野生型,MtSOD1和MtSOD2相对表达量高于野生型。此外,本研究还通过STTM技术降低植株MtmiR166基因家族的表达并获得了蒺藜苜蓿STTM166转基因植株,来进一步研究MtmiR166及其靶基因对盐碱胁迫的响应机制。
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