大豆耐盐种质筛选及GmSCAMPs家族的耐盐功能分析

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大豆(Glycine max L.)是我国重要的粮食和油料作物之一,土壤盐渍化严重影响着大豆的产量和品质。盐害对植物产生的影响主要是由于Na+的毒害作用所引起,植物细胞中过度积累Na+会阻碍K+的吸收,从而影响细胞的渗透调节等一系列生理生化过程。已有研究表明在小麦中分泌载体蛋白(Secretory carrier membrane protein,简称SCAMP)能够与Na+/H+逆向转运蛋白NHX发生相互作用,从而影响Na+的运输。但是SCAMP蛋白在大豆耐盐机制研究中仍旧尚不明确。本研究通过对332份大豆种质资源进行耐盐性鉴定,为大豆耐盐性研究提供基础材料。通过生物信息学方法,对大豆分泌载体蛋白SCAMP进行鉴定,并利用种质筛选中的耐盐材料和敏盐材料在不同时间盐胁迫处理下对大豆GmSCAMP2基因在根、茎、叶不同组织的表达量进行了分析,并选取了大豆GmSCAMP2基因,构建了酵母转化和毛状根转化所需的载体。对转化的酵母和大豆毛状根转化植株进行盐胁迫处理,以此来验证基因GmSCAMP2对大豆耐盐性的影响。主要研究结果如下:(1)对332份大豆种质材料进行盐胁迫处理,以致死浓度作为鉴定指标,筛选出致死浓度为190 mmol/L的敏盐材料2份;致死浓度280 mmol/L的耐盐品种3份。选取不同耐盐等级的大豆品种进一步鉴定,在150 mmol/L NaCl胁迫下植株的干重、株高和根长均下降,耐盐品种与敏盐品种相比下降幅度较小;耐盐品种植株根和茎对Na+和Cl-的积累较多,叶中积累较少,而敏盐品种与其相反;耐盐品种汾豆105、Lee68和晋大70的SPAD(Soil and plant analyzer develotrnent,简称SPAD)上升,而敏盐品种Jackson和陕西八月黄的SPAD均下降;不同品种的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著下降,其中敏盐品种下降幅度大于耐盐品种。鉴定结果与初筛结果一致。(2)在大豆中共鉴定到了10个SCAMP蛋白成员。对其进行理化性质分析发现,大豆中不同SCAMP基因编码的氨基酸数目、蛋白的分子量、等电点均有较大差异。大豆与拟南芥、玉米和水稻SCAMP基因的系统进化分析结果表明,大豆SCAMP家族被明显分为Group1和Group2,其中Group2又划分出了两个进化分支。大豆SCAMP基因结构分析显示10个成员均含有内含子和外显子。在大豆SCAMP基因家族的成员启动子序列分析显示,发现其具有许多逆境响应元件、植物激素和生长发育相关的顺式作用元件。表达模式分析显示大豆SCAMP家族中不同成员在不同组织中的表达差异较大,主要在根、根瘤和叶中表达;盐胁迫处理后GmSCAMP2的表达显著上调,说明其可能对植物的耐盐性有影响。综合分析以后,选取GmSCAMP2基因作为目标基因进一步研究。(3)通过研究分析GmSCAMP2在耐盐材料和敏盐材料中的定量分析发现,在盐胁迫下GmSCAMP2在耐盐材料和敏盐材料中根、茎和叶中基因GmSCAMP2的表达变化趋势大致相同,但是在根、茎和叶中GmSCAMP2基因在耐盐材料中开始上调的时间明显早于敏盐材料。(4)为了探究GmSCAMP2基因的功能,我们将构建好的酵母表达载体,转入到酿酒酵母之中,对转入目的基因的酵母进行盐胁迫处理,以转入的空载作为对照,发现在不同浓度的盐胁迫处理下,转入目的基因的酵母的生长情况优于转入空载的酵母。结果说明,大豆GmSCAMP2基因对酵母的耐盐能力具有一定的提高作用。(5)为了进一步研究GmSCAMP2对大豆植物耐盐性的影响,我们通过构建GmSCAMP2的过表达和干扰载体,进行大豆毛状根转化。在200 m M NaCl胁迫处理下,GmSCAMP2过表达转基因植株耐盐性显著高于转入空载的对照;GmSCAMP2干扰植株的耐盐性显著低于转入空载植株的对照。最后,对根毛转化株系中盐胁迫相关基因NHX1、CLC1、TIP1、SOD1、SOS1进行表达另分析,发现这些基因和空载对照相比较均发生显著变化。以上结果表明,大豆GmSCAMP2通过调控大豆耐盐相关基因的表达,增强了大豆的耐盐性。研究结果为解析大豆耐盐分子调控机制及大豆耐盐分子育种提供了新的线索。
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