盐胁迫对水稻等重要作物的生长产生了不利影响,是世界粮食生产的重要障碍之一。培育耐盐性较强的水稻品种是克服盐胁迫挑战的重要途径。最近发现SST和HST1这两个基因控制水稻耐盐性,且功能丧失突变体表现为耐盐性。尽管这两个基因已经被克隆,但他们在生理和生化水平上的耐盐机制尚未得到充分的揭示。因此,本研究对sst和hst1这两个突变体进行生理和生化分析。我们实验室已经从籼稻品种R401中获得了ss 突变体。为了获得hst1突变体,我们利用CRISPR/Cas9方法敲除R401中的HST1基因。利用来自R401的sst和hst1突变体,以R401为对照,比较了在正常和150mM NaCl胁迫下的一系列性状,包括营养生长(生长率和生物量)、光合特性、离子含量、有机溶质、脂质过氧化、细胞电解质渗漏、叶片水分和抗氧化相关基因的转录水平。对于营养生长,以根长、茎(地上部)长、叶长、绿叶数、根和茎的鲜重和干重为指标。根据相对含水量(RWC)评估叶片保水情况。用叶绿素a、b和总叶绿素含量评价光合特性。从电解质渗漏(EL)的角度来评估植物细胞膜的状态。脂质过氧化用丙二醛(MDA)测定。用脯氨酸含量分析有机渗透压物质。测定钾(K+)和钠(Na+)含量及其比值。采用qRT-PCR系统对抗氧化生物合成相关基因的转录水平进行分析,包括超氧化物歧化酶A和B(OsSOD 和OsSODB)、抗坏血酸过氧化物酶1和2(OsAPX1和OPAPX2)、过氧化氢酶B和C(OsCAT 和OsCatC)的基因。主要结果如下:(1)HST1基因编辑结果表明,经遗传转化获得的60株(T0)幼苗,潮霉素检测阳性的有58株(96.7%)。测序结果表明,58个转基因植株中有47株(81%)在靶标基因有核苷酸插入/缺失。获得的突变体中12株为纯合体,35株为杂合体。(2)在盐胁迫条件下,所有植株的生长速度和生物量都有所下降。但野生型的下降程度要大于突变体hst1和sst。在正常条件下突变体sst比hst1表现出稍好的生长速率和生物量,而在盐胁迫下则没有。在正常条件下,水稻突变体比野生型的生长速率和生物量均有提高(p>0.05),但差异不是很大。(3)在正常条件下,所有材料的RWC是相似的,但在盐胁迫条件下突变体都好于野生型(p<0.05)。在正常条件下,sst和hst1的叶绿素a含量与野生型一致,但在盐胁迫下,叶绿素a、b和总含量高于野生型(p<0.05)。叶绿素b的含量低于叶绿素a的含量。(4)盐胁迫条件下电解质渗漏(EL)和脂质过氧化(MDA)和脯氨酸明显增加,但突变体sst和hst1显著低于野生型(p<0.05)。在无盐条件下,各基因型间差异不大(p>0.05)。(5)盐胁迫条件下突变体的K+/Na+比值比野生型高,hst1的耐盐指数最高,为0.706;其次是sst,为0.354;最后为野生型,为0.154。在盐胁迫条件下,抗氧化基因OsAPX1、OsAPX2和OsSODA在hst1和sst中的表达量显著高于野生型(p<0.05)。与对照相比,盐胁迫后OsODB和OsCATB在sst中表达水平增加,而在hst1和野生型中却没有增加。然而OsCATC转录水平在hst1中显著升高,而在sst和野生型中则无明显增加(p>0.05)。35天龄的植株用不同浓度的盐处理36小时后,在中度盐(150 mM)胁迫下,OsSODB和OsAPX1基因在sst和hst1突变体中的转录水平较高,且在hst1中具有最高水平。在高度盐(200 mM)胁迫下突变体sst中的转录水平要高于hst1和野生型植株。综上所述,营养生长、光合作用、细胞渗漏、保水性、离子含量、脂质过氧化、有机渗透溶质、抗氧化酶活性在突变体sst和hst1都有一个较好的水平。sst的抗氧化活性的改善要好于hst1,暗示sst的耐盐性可能与抗氧化活性途径有关。hst1的K+/Na+稳态的改善要好于sst,暗示突变体hst1可能通过调节离子途径提高其耐盐性。研究结果将为水稻SST和HST1基因的耐盐机制研究奠定基础。此外,所获得的知识还将为今后的耐盐性研究和育种计划提供支持。