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大豆是我国主要农作物之一,属中度耐盐植物,土壤盐碱化是限制农作物产量的非生物胁迫之一。目前全球对大豆的需求量正在迅速增加,但土地的盐碱化却严重降低大豆产量,面对逆境胁迫,大豆在长期演化过程中形成了一系列防御和适应机制,了解大豆耐盐的遗传和分子机制有助于挖掘盐碱地大豆产量潜力。栽培大豆(Glycinemax)和野生大豆(Glycine soja)染色体数相同(2n=40),共享同一个基因组,物种间容易进行遗传物质交流,野生大豆遗传多样性大于栽培大豆,因而常成为作物改良中的重要基因来源。蛋白质组学分析是目前分离、鉴定蛋白差异表达最为有效的研究手段之一,是功能基因组研究的重要支柱,为深入探讨非生物胁迫条件植物代谢和调控机制提供技术平台。 大豆-根瘤菌共生形成根瘤进行生物固氮是提高大豆耐盐性的重要措施,本研究以栽培大豆Lee68和野生大豆N23227为材料,接种慢生根瘤菌(Bradyrhizobiumjaponicum strain ACCC15609)后盐胁迫,通过抗逆生理指标测定、叶片微形态分析、根部蛋白质组学研究及耐盐相关蛋白在酵母中异源表达,对大豆盐胁迫相关蛋白功能进行初步分析,在蛋白质组学水平上探讨大豆耐盐的生物学机制,以期为提高大豆耐盐性提供新的理论依据。 1.盐胁迫对栽培大豆和野生大豆幼苗生长均有抑制作用,接种慢生根瘤菌(B.japonicum strain ACCC15609)进行盐胁迫,生理指标测定结果表明:叶绿素含量、叶面积、Fv/Fm均表现出Bj(0mM NaCl)>Bj(100 mM NaCl)≥Control(0mM NaCl)>Control(100 mM NaCl)。盐胁迫下,不接种慢生根瘤菌的大豆叶片黄化,叶面积明显降低、植株矮小、结瘤数目降低,尤其野生大豆N23227叶片干枯、脱落。通过对表型特征及相关生理指标测定分析表明接种慢生根瘤菌能够缓解盐胁迫对大豆的伤害,提高大豆的耐盐性。 2.通过对栽培大豆Lee68和野生大豆N23227根、茎、叶部异黄酮含量的测定发现:不管接种或盐胁迫与否,根部的异黄酮含量远远高于地上部分(茎和叶),且接种根瘤菌后栽培大豆Lee68根部异黄酮含量呈下降或无明显变化,而野生大豆N23227根部接种根瘤菌后异黄酮含量呈显著上升趋势,通过Semi-qRT-PCR对异黄酮合成相关酶基因(PAL1,CHS8,CHI和IFS2)定量分析,结果发现栽培大豆Lee68接种根瘤菌后根部四个关键基因表达量变化不大,而野生大豆N23227根部PAL1,CHS8,CHI和IFS2表达量在接种12h时均增加,说明根部异黄酮含量与编码其合成相关酶的基因(PAL1,CHS8,CHI和IFS2)表达量正相关。 3.通过透射电镜观察比较根瘤菌共生栽培大豆Lee68和野生大豆N23227盐胁迫叶片超微结构,结果表明:盐胁迫下没有接种根瘤菌的大豆叶片细胞扭曲变形,淀粉粒及嗜饿酸颗粒的数量较接种根瘤菌的大豆少,叶绿体细胞中类囊体片层的膨大,基质和基粒片层界限模糊不清,而接种根瘤菌的大豆叶片细胞正常,没有发生扭曲变形,淀粉粒及嗜饿酸颗粒的数量明显增加,叶绿体细胞中类囊体无明显膨大,且基粒类囊体排列较为整齐。从细胞形状、淀粉粒及嗜饿酸颗粒的数量及叶绿体中类囊体片层的完整性三个不同角度观察比较说明接种根瘤菌可以缓解盐胁迫对大豆叶片细胞的影响。 4.通过扫描电镜对根瘤菌共生栽培大豆Lee68和野生大豆N23227盐胁迫叶片超微结构观察,结果发现:栽培大豆Lee68和野生大豆N23227幼苗叶片上、下表皮均有表皮毛、气孔、网状蜡质纹饰等结构。下表皮均有腺毛结构,呈短圆棒状,由2-3个细胞组成,腺毛的形态相似且均着生在叶脉上或叶脉附近,与已发表的大豆拟盐腺结构相似,而上表皮均没有此结构,推测大豆面对盐胁迫时通过此结构将多余的盐分外排以更好的适应盐胁迫环境。 5.基于液相色谱串联质谱技术,分析研究了根瘤菌共生栽培大豆Lee68和野生大豆N23227盐胁迫后大豆根部差异表达蛋白,鉴定出105个差异表达蛋白,其中在栽培大豆Lee68根部上调表达蛋白共42个, N23227中共46个,在两者中均上调表达的蛋白共34个。共同上调差异表达蛋白,按功能分为胁迫防御(11)、碳水化合物及能量代谢(7)、次生代谢物生物合成(6)、电子传递(3)、蛋白折叠及组装(2)、转运蛋白(2)和未分类蛋白(3),推测在盐胁迫下,大豆能够通过增加根部与胁迫防御、碳水化合物及能量代谢、黄酮类次生代谢相关蛋白的表达来提高其耐盐性,以适应胁迫环境。另外,有8个上调表达蛋白(Cytochrome P4508381,Asparaginesynthetase, EKN, ABCtransporter amino acid-bindingprotein, AhpC, Nitrogenaseiron protein,Phasin,Uncharacterized protein)仅在耐盐品种Lee68根部上调表达而在敏盐N23227种群根部下调,其中有4个源于慢生根瘤菌的蛋白(ABCtransporter amino acid-binding protein, AhpC, Nitrogenase iron protein, Phasin)在栽培大豆Lee68中表现为上调而在野生大豆N23227下调,说明接种根瘤菌更有利于栽培大豆Lee68对盐胁迫的适应。 6.根据蛋白质组结果发现盐胁迫后谷胱甘肽-S-转移酶(A0A0B2QYP5)表现为在根瘤菌共生的栽培大豆Lee68及野生大豆N23227根部均上调表达显著,提高倍数高达4.8和19.2倍;查尔酮异构酶(Q93XE6)是大豆异黄酮合成的关键酶,盐胁迫后表达量分别提高6.08和3.62倍,通过酵母表达检验其耐盐性,结果表明:在正常生长条件和200mM NaCl胁迫下,转基因的酵母菌株和转空载生长相似,表明外源glysoja_011373基因和CHI1A基因的转入几乎不影响酵母的生长。但在高盐胁迫(400mM NaCl),转基因的酵母菌株生长明显好于转空载的对照,尤其是在稀释100倍后,转基因的酵母菌株仍表现出较强的生长活力,而转空载的对照生长显著减弱,表明外源谷胱甘肽-S-转移酶(A0A0B2QYP5)和查尔酮异构酶(CHI1A)过表达能明显提高酵母的耐盐能力,初步证实所选候选蛋白是耐盐相关蛋白,为植物抗性育种提供候选蛋白。