西瓜(Citrullus lanatus)是世界重要的经济作物之一,在我国被广泛种植。因其具有一定的耐旱性,根系又喜通气良好的砂质土,生产中为充分利用土地,西瓜经常被种植于干旱少雨的沙壤地或含盐较高的海边砂地。而干旱、盐害等首先会对西瓜植株产生渗透胁迫,进而影响其产量和品质。现有研究表明,甜菜碱作为一种渗透调节物质,可以有效提高多种植物的抗逆性。但甜菜碱对西瓜生产中经常面临的渗透胁迫是否有缓解作用?西瓜通过什么信号通路启动甜菜碱保护机制?围绕以上科学问题,本研究以二倍体西瓜悬浮细胞为试验材料,利用甘露醇(Mannitol)模拟渗透胁迫,同时外源施用甜菜碱,通过测定细胞分裂指数、细胞内活性氧(ROS)和细胞外pH,明确甜菜碱与西瓜渗透胁迫抗性的相关性;通过测定甜菜碱合成关键基因ClCMO和ClBADH基因表达量、甜菜碱含量变化,明确渗透胁迫启动了西瓜内源甜菜碱保护机制;利用生物信息学方法分析关键基因的序列并预测启动西瓜甜菜碱保护机制的可能信号物质;通过外源施用信号物质及相应抑制剂,探究西瓜响应渗透胁迫启动甜菜碱保护机制的可能信号通路。取得如下主要研究结果:(1)不同浓度甘露醇处理西瓜悬浮细胞,细胞分裂指数下降,细胞内活性氧(ROS)和细胞外pH明显升高,即渗透胁迫对西瓜细胞生长有明显抑制作用,且处理浓度越高抑制作用越明显。但外源添加甜菜碱可有效缓解渗透胁迫对细胞生长的抑制作用。(2)从葫芦科基因组数据库(CGD)中筛选获得西瓜ClCMO基因序列(Cla001775)和ClBADH基因序列(Cla019160),对其进行生物信息学分析发现:它们分别编码417、503个氨基酸,蛋白分子量(MW)分别为47.2kDa,54.5kD;等电点(pI)分别为6.01,5.29,均属于稳定性亲水性蛋白,蛋白比对发现C1CMO具有Rieske型[2Fe-2S]和Fe离子结合区两个典型的保守结构域,而ClBADH基因保守结构域具有醛脱氢酶的典型的十肽序列以及Csy结合位点。通过系统进化树分析发现西瓜C1CMO和ClBADH基因与同科的黄瓜、甜瓜亲缘关系较近,与大肠杆菌(E.coli)亲缘关系较远。(3)对ClCMO和ClBADH基因启动子区顺式作用元件预测发现,它们除了包含一些必要的顺式作用元件外,同时包含很多响应逆境及植物激素相关的顺式作用元件。(4)外源甘露醇模拟渗透胁迫处理西瓜悬浮细胞,结果发现渗透胁迫可以诱导西瓜ClCMO和ClBADH基因表达量升高,并促进细胞甜菜碱含量的积累,且基因表达量与甜菜碱积累量成正相关关系。(5)外源添加激素(ABA、MeJa、乙烯利、SA)诱导西瓜细胞,发现诱导后ClCMO和ClBADH基因相对表达量均升高,其中外源MeJa诱导基因相对表达量上升尤为明显。对诱导后甜菜碱含量进行测定,发现ABA、MeJa和乙烯利都可以诱导西瓜细胞甜菜碱积累,其中MeJa诱导其积累量最高,与渗透胁迫诱导效果一致。(6)通过外源添加茉莉酸合成抑制剂(ibuprofen,IBU)和乙烯合成抑制剂(AVG),观察其对渗透胁迫下甜菜碱合成的影响。结果发现:加入AVG对渗透胁迫下ClCMO和CIBADH基因相对表达量以及甜菜碱的积累量均有上升趋势,而加入IBU对渗透胁迫下ClCMO和ClBADH基因相对表达量以及甜菜碱的积累量则有明显下降趋势。综上所述,外源甜菜碱对渗透胁迫抑制西瓜细胞生长有明显缓解作用,渗透胁迫可以诱导西瓜内源甜菜碱的合成和积累。西瓜细胞内源甜菜碱的积累与植物激素信号密切相关,其中茉莉酸信号在启动西瓜甜菜碱分子保护机制中可能起到主导作用。