玉米逆境胁迫响应基因ZmSnRK2.11、ZmCBL9及ZmCBL10的功能分析

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蔗糖非发酵型蛋白激酶2(sucrose non-fermenting1-related protein kinase2, SnRK2)是植物所特有的一类蛋白激酶。该家族成员能够响应高盐及干旱等非生物胁迫。本研究中,蛋白序列分析表明ZmSnRK2.11是一个典型的SnRK2激酶;进化分析显示ZmSnRK2.11与ZmSAPK4. SbSAPK4和TpSnRK2.11同源性较高。组织特异表达分析显示该基因主要在叶片中表达,且该基因受NaCl和脱水诱导上调表达。亚细胞定位结果显示ZmSnRK211定位在细胞质及细胞核中。在拟南芥野生型中过表达ZmSnRK2.1J发现,转基因株系在NaCl及甘露醇胁迫下表现为敏感表型;而干旱实验结果也显示,转基因株系相比野生型对水分缺失更敏感。此外,生理实验结果显示,转基因株系的离体叶片失水速率快于野生型,叶片气孔关闭推迟,高盐处理后转基因株系相对含水量减少,MDA含量升高,脯氨酸含量减少。检测逆境胁迫响应基因的表达结果显示,转基因株系中ABIl和ABl2的表达量升高,而与抗逆相关PSCSl和DREB2A的表达量则明显下调表达。综上,ZmSnRK2.11在逆境胁迫时起负调控作用可能是通过影响抗逆相关基因的表达量来实现的。钙离子作为第二信使,参与了植物对生长发育及逆境响应的诸多信号调控途径。钙调磷酸酶B类似蛋白(Calcineurin B-Like protein, CBLs)是植物特有的一种钙离子信号感受器。本实验中,进化分析表明ZmCBL9与AtCBL9有较高的同源性。组织特异表达分析显示,该基因在不同组织中均有一定的表达,但在幼苗期的叶及成熟期的叶及根中表达量较高。胁迫表达分析显示该基因受NaCl、脱水、ABA和葡萄糖的诱导上调表达。ZmCBL9不仅可以恢复cbl9突变体在逆境胁迫下的敏感表型;而且过表达ZmCBL9还可提高植株在NaCl、甘露醇、ABA及葡萄糖胁迫处理下的耐受能力。此外本研究发现,ZmCBL9负调控ABA信号的转导及合成相关基因的表达,另外,ZmCBL9可正调控AtABCG40的表达;以上结果暗示:ZmCBL9可能并不仅仅是ABA信号转导及合成的负调控因子,更有可能在ABA运输方面起重要作用。酵母双杂实验证实ZmCBL9可以与8个ZmCIPKs互作,分析这些ZmCIPKs的启动子序列及组织表达谱,推测ZmCBL9可能通过与这些ZmCIPKs互作来参与籽粒发育、植物激素调控及对逆境胁迫的响应。综上,ZmCBL9参与了植株对内源ABA水平的调控,并通过与2LmCIPKs的互作来参与植物的生长发育调控及逆境胁迫响应。序列分析表明ZmCBL10与AtCBL10和OsCBL9有较高的同源性。组织表达分析表明该基因在营养器官中均有表达,其中在幼苗期的根及成熟期的根、茎和叶中表达量较高。胁迫表达结果显示该基因受NaCl及脱水胁迫后上调表达,而在低钾胁迫时表达量下调。亚细胞定位结果显示,ZmCBL10定位在细胞膜及液泡前体及囊泡的膜上,此外该基因N端的跨膜序列对其膜定位是必须的。ZmCBL10不仅可以恢复拟南芥cbll0突变体盐敏感表型,还可以互补sos3突变体盐敏感表型。此外,过表达ZmCBL10可以提高拟南芥植株的耐盐能力,同时也提高了转基因株系对低钾胁迫的敏感性,暗示2mCBL10可能在调节Na+/K+平衡方面起重要作用。
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