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蔗糖非酵解型蛋白激酶(Sucrose non-fermenting1-related protein kinase,SnRK)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,广泛存在于酵母、动、植物体内。SnRK作为正调控因子参与植物对逆境信号的响应,在植物应对生物及非生物胁迫反应中起着重要作用。根据结构和功能不同,将SnRK家族分为SnRK1、SnRK2和SnRK3三个亚家族。SnRK2是植物所特有的基因家族,与植物抗性关系密切。目前已在拟南芥和水稻中发现10个SnRK2家族成员。小麦中已经鉴定了4个(TaSnRK2.3、TaSnRK2.4、TaSnRK2.7、TaSnRK2.8)SnRK2基因,但仍有部分小麦SnRK2基因的功能和属性未知。
前期从矮秆波兰小麦中克隆获得8个SnRK2基因(TpSnRK2.1、TpSnRK2.2、TpSnRK2.3、TpSnRK2.5、TpSnRK2.7、TpSnRK2.8、TpSnRK2.10、TpSnRK2.11、)。本研究以TpSnRK2.10和TpSnRK2.11为对象,利用酵母抗性功能分析、转基因拟南芥功能分析、亚细胞定位、重金属亚细胞分布和多时期多组织的表达模式分析对这2个基因在抗逆性方面进行功能的初步验证,从而进一步揭示小麦SnRK2基因家族在抗逆性方面的作用。主要结果如下:
1.亚细胞定位发现TpSnRK2.11定位在细胞质上,在细胞核上无表达。
2.在拔节期,TpSnRK2.10主要在叶片表达,其次是叶鞘,茎秆中的表达量最低;在孕穗期,TpSnRK2.10主要在叶柄、叶鞘和老叶中表达,其次是在根中,茎秆和茎节的表达最低;在灌浆期,TpSnRK2.10在种子中的表达最高,其次是叶片,根和茎节的表达最低。TpSnRK2.11与TpSnRK2.10的表达模式不同,在拔节期,TpSnRK2.11主要在叶鞘表达,其次是茎秆和新叶,在根中的表达最低;在孕穗期,TpSnRK2.11在叶柄和叶鞘中表达最高,其次是茎节和老叶,花穗中的表达最低;在灌浆期,TpSnRK2.11在茎秆和茎节中的表达最高,在根和种子中的表达最低。
3.2%的半乳糖诱导条件下,转化空载体pYES2的镉敏感型酵母突变体在80和100μM CdCl2胁迫下生长严重受阻;以此对比,转化TpSnRK2.10没有明显引起镉敏感型酵母突变体生长变化,但转化TpSnRK2.11显著恢复了镉敏感型酵母突变体生长。然而,酵母生长曲线结果表明转化TpSnRK2.10从处理后的32小时显著抑制了镉敏感型酵母突变体生长,而转化TpSnRK2.11显著恢复了镉敏感型酵母突变体生长。这些结果表明TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均能影响Cd的敏感性,但作用方式不同。
4.在平板培养条件下,过表达TpSnRK2.10在干旱和盐胁迫下没有引起根长变化;低温显著降低过表达TpSnRK2.10植株的根长;过表达TpSnRK2.11在低温和盐胁迫下没有引起根长变化,但干旱条件下过表达TpSnRK2.11植株根长显著增长。在土培条件下,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11植株在干旱处理两周后呈现枯萎症状,复水一周后生长良好,但野生型植株死亡;盐胁迫一周导致过表达TpSnRK2.10和过表达TpSnRK2.11植株以及野生型植株均死亡;冷胁迫前后,过表达TpSnRK2.10和过表达TpSnRK2.11植株以及野生型植株均变化不明显。这些结果表明,TpSnRK2.10对低温敏感,TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均能提高植株耐干旱能力。
5.镉胁迫下,与野生型拟南芥相比,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均显著增加了根和地上组织中的镉浓度;在正常生长条件下,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11影响铁元素的积累,但不影响锌元素的积累。金属亚细胞分布分析发现,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均显著提高了根和地上部分组织的细胞壁和细胞器组分的镉含量;同时也影响了地上和地下部分铁的亚细胞分布。
前期从矮秆波兰小麦中克隆获得8个SnRK2基因(TpSnRK2.1、TpSnRK2.2、TpSnRK2.3、TpSnRK2.5、TpSnRK2.7、TpSnRK2.8、TpSnRK2.10、TpSnRK2.11、)。本研究以TpSnRK2.10和TpSnRK2.11为对象,利用酵母抗性功能分析、转基因拟南芥功能分析、亚细胞定位、重金属亚细胞分布和多时期多组织的表达模式分析对这2个基因在抗逆性方面进行功能的初步验证,从而进一步揭示小麦SnRK2基因家族在抗逆性方面的作用。主要结果如下:
1.亚细胞定位发现TpSnRK2.11定位在细胞质上,在细胞核上无表达。
2.在拔节期,TpSnRK2.10主要在叶片表达,其次是叶鞘,茎秆中的表达量最低;在孕穗期,TpSnRK2.10主要在叶柄、叶鞘和老叶中表达,其次是在根中,茎秆和茎节的表达最低;在灌浆期,TpSnRK2.10在种子中的表达最高,其次是叶片,根和茎节的表达最低。TpSnRK2.11与TpSnRK2.10的表达模式不同,在拔节期,TpSnRK2.11主要在叶鞘表达,其次是茎秆和新叶,在根中的表达最低;在孕穗期,TpSnRK2.11在叶柄和叶鞘中表达最高,其次是茎节和老叶,花穗中的表达最低;在灌浆期,TpSnRK2.11在茎秆和茎节中的表达最高,在根和种子中的表达最低。
3.2%的半乳糖诱导条件下,转化空载体pYES2的镉敏感型酵母突变体在80和100μM CdCl2胁迫下生长严重受阻;以此对比,转化TpSnRK2.10没有明显引起镉敏感型酵母突变体生长变化,但转化TpSnRK2.11显著恢复了镉敏感型酵母突变体生长。然而,酵母生长曲线结果表明转化TpSnRK2.10从处理后的32小时显著抑制了镉敏感型酵母突变体生长,而转化TpSnRK2.11显著恢复了镉敏感型酵母突变体生长。这些结果表明TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均能影响Cd的敏感性,但作用方式不同。
4.在平板培养条件下,过表达TpSnRK2.10在干旱和盐胁迫下没有引起根长变化;低温显著降低过表达TpSnRK2.10植株的根长;过表达TpSnRK2.11在低温和盐胁迫下没有引起根长变化,但干旱条件下过表达TpSnRK2.11植株根长显著增长。在土培条件下,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11植株在干旱处理两周后呈现枯萎症状,复水一周后生长良好,但野生型植株死亡;盐胁迫一周导致过表达TpSnRK2.10和过表达TpSnRK2.11植株以及野生型植株均死亡;冷胁迫前后,过表达TpSnRK2.10和过表达TpSnRK2.11植株以及野生型植株均变化不明显。这些结果表明,TpSnRK2.10对低温敏感,TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均能提高植株耐干旱能力。
5.镉胁迫下,与野生型拟南芥相比,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均显著增加了根和地上组织中的镉浓度;在正常生长条件下,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11影响铁元素的积累,但不影响锌元素的积累。金属亚细胞分布分析发现,过表达TpSnRK2.10和TpSnRK2.11均显著提高了根和地上部分组织的细胞壁和细胞器组分的镉含量;同时也影响了地上和地下部分铁的亚细胞分布。