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近年来,在植物中已鉴定出多种金属转运蛋白如ZIP家族、NRAMP家族、ABC家族、CDF家族等,它们都有与金属吸收及跨膜运输相关蛋白,在金属吸收与转运过程中起着重要作用,但由于转运体的不同,各个吸收系统的性能和亲和性不同,并非所有转运体均可转运多种金属离子。棉花是一种对缺锌敏感和耐锌较强的纤维作物,对镉污染也有不同程度的耐受能力,而目前关于棉花中ZIP家族基因功能的研究未见报道,有研究表明植物对镉的吸收主要是通过必需营养元素的转运蛋白如ZIP家族实现的。因此对来自棉花中ZIP家族的转运蛋白在植物金属元素吸收和转运中的功能进行研究,提高该植物对金属元素的利用效率,尤其是提高植物修复镉污染土壤效率具有十分重要意义。本研究通过对比金属(Zn、Fe、Mn、Cu及Cd)处理下,转GhZRT基因烟草与野生型(WT)烟草生长及金属富集情况,探讨GhZRT基因编码的离子转运蛋白在植物对锌、铁、铜、锰及镉吸收过程中的功能。得出的主要结论如下:
(1)采用转基因技术,克隆出了GhZRT4基因,采用农杆菌介导的方法成功将此基因转入到普通烟草中,通过Real-timeRT-PCR分析其基因在烟草植株中的表达,从而筛选出了表达特性较高的T1代转基因植株,通过GUS花粉染色,获得了T2代纯合子转基因烟草,为进一步研究提供了材料。
(2)不同金属处理对两种烟草的生长影响不同,且转GhZRT4和WT烟草其生长状况也有明显差异。加铁、加锰处理,可促进转GhZRT4和WT烟草的生长,生物量均有较大提高,增加幅度为124.49%～641.67%,但对WT烟草生长的刺激作用更大。而加铜、加镉处理使WT和转GhZRT4烟草均受到明显毒害作用,根长、生物量均降低,加铜处理使转GhZRT4烟草地上部生物量降低40.82%,加镉处理使转GhZRT4烟草根长、根和地上部干重分别降低34.92%,33.33%和29.59%,且对转GhZRT4烟草生长的抑制作用强于WT烟草。缺铁处理对烟草生长也有一定的抑制,两种烟草根系生物量的降低幅度相当,使WT和转GhZRT4烟草地上部生物量分别降低18.57%、44.90%。缺锌、加锌处理均可促进WT烟草的生长,生物量提高,提高幅度为70%～141.67%,而缺锌对转GhZRT4烟草根部生物量影响不明显,使其地上部生物量降低14.29%,加锌明显抑制了转GhZRT4烟草的生长,使转GhZRT4烟草根和地上部生物量分别降低20.83%和46.94%。
(3)在对照、缺锌、加锌处理中,转GhZRT4烟草根锌含量均较WT高,对于地上部锌含量,缺锌处理二种烟草间差异不大,但加锌处理转GhZRT4烟草较WT显著降低,且锌的转移系数均为GhZRT4烟草低于WT烟草,表明GhZRT4基因的导入有助于锌在烟草根部积累,不利于其向上转运。转GhZRT4烟草根和地上部镉含量均高于WT烟草,前者根和地上部镉含量分别是后者的2.1倍和2.2倍,因此GhZRT4基因的导入促进了烟草对镉离子的吸收。处理相同时,转GhZRT4烟草根和地上部铜含量均明显高于WT,表明GhZRT4基因在烟草对铜离子的吸收过程中具有转运铜离子的功能。对于锰的吸收,加锰处理WT和转GhZRT4烟草根和地上部锰含量相当,其余处理根和地上部锰含量均为转GhZRT4烟草＞WT,表明转GhZRT4烟草对锰的吸收能力较WT烟草强,GhZRT4转运蛋白具备转运锰的功能。但在对照、缺铁、加铁处理中,转GhZRT4烟草根和地上部铁含量均较WT烟草低,表明转GhZRT4烟草对铁的吸收能力降低。