芦苇和互花米草HKT8基因的克隆及功能分析

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盐胁迫严重影响了植物的生长和发育,是造成植物减产或死亡的重要环境因素之一。盐分的积累会导致土壤盐渍化,从而引起植物体内积累过量的Na+,影响其正常的生长发育。研究表明,在长期的进化过程中,植物形成了各种抵御和适应盐胁迫的机制,盐生植物可以在高盐环境下正常生长。因此,深入研究盐生植物的耐盐机制,克隆其耐盐相关基因,并培育出耐盐性显著提高的转基因耐盐植物,是开发盐渍化土地生产潜力,解决土壤盐渍化问题的有效途径。  据报道,HKT类蛋白与植物的耐盐性密切相关,它不仅可以介导 Na+的转运,还可以介导Na+和K+的共转运,对于调节植物体内Na+的动态平衡具有重要的作用。本实验主要以盐生植物芦苇(Phragmites communis)和互花米草(Spartina alterniflora)为材料,首先分析了芦苇幼苗在盐胁迫和镉胁迫下各项生理指标的变化,推测出芦苇体内可能存在着与其耐盐性有关的基因。在此基础上我们克隆并得到了芦苇和互花米草的HKT8基因(PhaHKT8&SaHKT8)。然后用NaCl溶液处理芦苇和互花米草,研究两者在盐胁迫条件下体内 HKT8基因表达量的变化。同时构建了植物的过量表达载体并在拟南芥和水稻中进行了过量表达,此外还构建了芦苇 HKT8基因的干扰载体并在芦苇中进行遗传转化,进一步阐明了该基因在植物耐盐性研究中的功能。本实验的主要结果有以下几个方面:  (1)NaCl胁迫和镉胁迫下芦苇叶片中各项生理指标的变化  分别用300 mmol/L的NaCl溶液和500μmol/L的CdCl2溶液处理芦苇幼苗,然后对其叶片中各项生理指标进行测定,结果显示,300 mmol/L NaCl处理时,芦苇幼苗体内Na+的含量以及K+的含量都呈升高趋势,K+/Na+的比率呈下降趋势,但96 h又有所升高。MDA含量随处理时间的延长虽有所下降,但与对照相比,都呈现增加趋势,抗坏血酸过氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的酶活性都随处理时间的延长逐渐升高,可溶性糖含量上升;而500μmol/L Cd2+处理下,MDA含量与对照相比同样呈现增加趋势,但APX、POD、CAT活性呈先升高后降低趋势,SOD活性逐渐下降,可溶性糖含量缓慢增加。两种逆境胁迫下芦苇生理特性的差异,预示着在芦苇体内可能存在不同的抗逆机制以及与耐逆性有关的基因,有待于我们去继续开发研究。  (2)芦苇和互花米草HKT8基因的克隆及序列分析  根据GeneBank中已知物种的HKT基因序列寻找保守区并合成简并引物,利用3’、5’RACE克隆合成一条完整的HKT类基因,分别命名为PhaHKT8和SaHKT8。PhaHKT8基因的开放阅读框内包含有1536个核苷酸,推导其编码的蛋白质的氨基酸全长中有511个氨基酸残基。SaHKT8基因的开放阅读框内包含有1677个核苷酸,推导其编码的蛋白质的氨基酸全长中有558个氨基酸残基。两者的序列非常相似,都与小麦的HKT基因的同源性最高。  (3)芦苇和互花米草在不同时间盐胁迫处理下HKT8基因的表达变化  用300 mmol/L和600 mmol/L NaCl溶液分别处理芦苇和互花米草幼苗,然后对其地上和地下部分进行 HKT8基因的表达谱分析,结果表明,随着盐胁迫处理时间的延长,HKT8基因的相对表达量都呈现出先升高后下降的趋势。  (4)芦苇和互花米草HKT8基因的异源过量表达的研究  用250 mmol/L的NaCl溶液分别处理野生型和转基因水稻株系,结果表明,转基因株系的生长情况要好于野生型水稻,并且通过对两者体内各项生理指标的测定发现,转基因株系的耐盐性以及K+/Na+的比率都要高于野生型水稻。  (5)PhaHKT8RNAi沉默转基因芦苇的耐盐性研究  通过根癌农杆菌 EHA105的介导,我们将构建好的植物干扰载体转化到芦苇愈伤组织中,用潮霉素对其进行筛选,最终获得了20株左右的PhaHKT8RNAi沉默转基因株系。通过实时荧光定量PCR分析后发现,沉默转基因芦苇体内HKT8基因的相对表达量都要低于野生型。
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