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刚毛柽柳(Tamarix hispid)为灌木或小乔木,具有强的抗旱、耐盐、耐水湿、抗沙埋能力,是优良的防风固沙、水土保持和盐碱地造林树种。而且能在含盐量1%的盐碱地上形成自然林,为盐碱土指示植物,是进行植物抗盐碱研究的理想材料。本文研究了刚毛柽柳在盐碱胁迫后不同时间点基因的表达,并克隆出抗逆相关基因。
刚毛柽柳在0.4 mol/LNaHCO<,3>胁迫下,分别处理0h(对照)、24 h和52h,以叶片为材料,分别构建了3个全长cDNA文库。文库的滴度分别为7.5×10<5>pfu、2.6×10<6>pfu、4.0×10<6>pfu,插入片段平均长度分别为1.1、1.2和1.2 kb,平均重组率为97.5%。
共获得9447条高质量的ESTs序列,其登录号为EH048198-EH057644。它们代表了3945条单一基因序列(Unigene),包括986个contigs和2959个singlets。3个文库具有的Unigene分别是1752、1558和1675。将9447条EST序列与GenBank的Nr数据库进行Blastx和Blastn分析,其qb7365条ESTs(占77.96%)与已知基因序列相似性高(E-value<10<-4>),其余2082(22.04%)条相似性低或没有相似性。与已知基因序列相似性高的7365条序列按功能分为12类,其中光合(photosynthesis)占20.31%,功能未知(functionunknown)占13.97%、细胞防御(Cell rescue,defense)占13.96%、能量(Energy)占7.59%、蛋白质合成(Protein synthesis)占7.58%、转运(Transport facilitation)占7.28%、转录(Transcription)占6.63%、细胞结构(Cell structure)占6.07%、代谢(Metabolism)占5.70%、蛋白质定位(Protein destination)占5.02%、信号转导(Signaltransduction)占3.86%、细胞生长/分裂(Cell growth,division)占2.04%。
通过对3个cDNA文库分别进行EST分析和比较建立了NaHCO<,3>胁迫不同时间点的柽柳基因表达谱,鉴定了大量的盐碱胁迫响应基因。这些基因按功能可以分为:渗透调节、激素信号转导、活性氧清除、转录调控、蛋白合成和定位、离子平衡、核糖体蛋白、光合作用和代谢等。提示这些途径都可能参与了刚毛柽柳的耐盐碱胁迫。
在文库中选择了9个表达明显差异的基因,利用实时定量(real time)RT-PCR技术,研究比较了这些基因在NaCl和NaHCO<,3>胁迫下基因表达模式,发现在NaCl或NaHCO<,3>胁迫24 h后这些基因表达趋势比较相似。但在胁迫52 h后,这些基因对NaCl和NaHCO<,3>胁迫响应表达趋势出现明显差异。
文库中含有较多的抗逆相关全长基因,从中选择了液泡膜H<+>-ATPase C、c″亚基和2个GRP(glycine-rich RNA-binding protein)基因,对它们在NaHCO<,3>和NaCl胁迫下基因的表达进一步的分析。NaCI胁迫后 ThVHA cl和 Th VHA c″1,表达量明显增加,ThGRP1和ThGRP2基因表达量下降;NaHCO<,3>胁迫后 Th VHA cl 和 ThVHA C″1的表达量在24 h下降,52 h上升,而ThGRP1和ThGRP2为24 h上升,52 h下降。
本研究发现刚毛柽柳对盐碱胁迫的响应涉及多个生理和代谢途径,并鉴定了一系列胁迫应答基因。这些结果可以作为木本植物耐盐的分子遗传研究的模式系统,使我们在分子水平上对木本植物耐盐机理有了进一步的认识。同时,丰富了林木基因工程育种理论,为抗逆基因工程育种提供一些优良的抗性基因。