盐离子和重金属离子抑制植物正常的生长发育。过高的盐浓度会破坏植物体内的水分平衡、离子平衡和活性氧平衡；而过量的重金属离子(如Cd2+)能够通过干扰光合、呼吸、营养平衡等生理过程来抑制植物生长,甚至导致植物死亡。在我国西北干旱盐碱的荒漠地区,胡杨(Populus euphrattca)是唯一能够成林的乔木树种。胡杨叶片在长期盐处理后能够发生肉质化,起到稀释组织和细胞中盐分的作用,但盐诱导肉质化的分子机制尚不清楚。另有研究表明,胡杨对Cd2+的响应非常敏感,但其对重金属胁迫的响应和适应机理还不明确。木葡聚糖内糖基转移酶/水解酶调控细胞壁的松弛和伸展。本实验室前期从胡杨叶片中克隆得到PeXTH全长基因,荧光定量PCR结果显示该基因在长期盐胁迫下的表达呈上调趋势,因此PeXTH很有可能参与盐诱导的胡杨叶片肉质化的发生,从而提高胡杨的抗盐性。此外,XTH基因能够响应重金属胁迫,在低浓度的Cd2+胁迫下,胡杨PeXTH基因的表达水平提高了1.2～2.1倍,因而该基因也可能参与胡杨适应Cd2+胁迫的生理过程。本论文利用转基因技术,将PeXTH基因在模式植物烟草中过量表达,通过比较转基因烟草和野生型烟草在叶片显微结构、形态表型、生理特征等方面的差异表现,探讨了PeXTH在植物适应盐胁迫和重金属胁迫中的作用机制。主要研究结果如下：1.PeXTH蛋白具有木葡聚糖内转糖苷酶(XET)的催化活性域DEIDFEFLG,且定位在内质网和细胞壁上。2.PeXTH的纯化蛋白大小约为35kD,且具有体外XET活性。该蛋白发挥活性的最适温度是37℃,最适pH是6.0。3.PeXTH通过调控组织肉质化来提高植物耐盐性。实验表明,PeXTH基因的过表达使转基因烟草的抗盐性增加,盐胁迫下转基因烟草的存活率和根长都明显高于野生型。这种变化来源于转基因烟草叶片显微结构和生理特征的改变：同野生型烟草相比,转基因烟草的肉质化程度明显提高,栅栏组织细胞排列更为紧密,叶肉细胞的胞间隙较小,从而导致转基因烟草单位叶面积水含量和鲜/干重比值这两个肉质化指标分别比野生型烟草高36%和39%；这种显微结构的变化一方面可以达到稀释盐分的效果,另一方面也有助于提高转基因烟草的叶片保水力,从而在盐胁迫下起到稀释叶组织和细胞盐浓度的作用。此外,叶肉细胞数目的增加和胞间隙的减小还有利于碳利用率和光合效率的提高。总之,PeXTH基因的过表达能够通过引发叶片肉质化来提高转基因烟草的抗盐性。4.PeXTH还可以缓解植物的Cd2+胁迫。PeXTH基因的过表达能够使转基因烟草的抗Cd2+性提高,Cd2+胁迫下转基因烟草叶和根生长受到的抑制明显较小：Cd2+胁迫下,转基因烟草根系的Cd2+内流显著低于野生型烟草,从而使转基因烟草根尖和根成熟区中积累的Cd2+比野生型烟草少49%-58%；值得注意的是,转基因烟草根系的木葡聚糖降解活性比野生型烟草高56%～87%,导致根细胞壁中的木葡聚糖含量比野生型烟草低25%～27%。由此可见,PeXTH基因的过表达提高了转基因烟草根系的木葡聚糖降解活性,降低了根细胞壁中的木葡聚糖含量,导致Cd2+结合位点减少,从而使根系对Cd2+的吸收减弱,减少了Cd2+在根中的积累,最终缓解了Cd2+对转基因烟草的毒害。