棉花S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因(GhSAMDC1)功能的初步研究

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目的:棉花是我国重要的经济作物,占全世界棉花产量的21%左右。新疆种植棉花历史悠久,也是我国三大棉区中最适宜种植棉花的区域,棉花种植面积、单产、总产和调出量4项指标已连续24年全国第一。棉花产业的发展已成为新疆人民农业收入的重要组成部分。但随着水资源利用不合理、农业灌溉不恰当及气候变暖等一系列环境问题的出现,土壤盐渍化、干旱、重金属污染和高低温等非生物逆境胁迫逐渐增多,严重影响了新疆乃至全国棉花正常的生长和发育。近年来,随着生物技术的发展和相关技术手段的改进,利用基因工程技术进行棉花育种改良,培育具有较强逆境耐受力的棉花新材料也得到了迅速发展。S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(SAMDC)作为多胺合成中的三个关键酶(ADC、ODC和SAMDC)之一,在调节植物内源多胺含量合成代谢、植物生长发育以及抗逆性方面发挥着重要作用。本研究从陆地棉中克隆了S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶基因,并通过相关生物信息学和qRT-PCR分析了该基因基本的理化性质和不同逆境胁迫条件下的表达特性,通过转化模式植物拟南芥和烟草,分析GhSAMDC1基因的功能,以期通过解析GhSAMDC1基因调控多胺合成代谢、植物生长发育以及参与抗逆过程的基本原理和作用机制,以便为后期多胺相关功能研究和植物抗逆育种提供新的理论依据。方法:(1)100 mmol L-1 NaCl处理下过量表达GhSAMDC1基因对拟南芥种子萌发的影响,以及转基因拟南芥种子内源自由态多胺(Put、Spd和Spm)和过氧化氢(H2O2)含量在种子萌发过程中的变化。(2)100 mmol L-1 NaCl处理下转基因拟南芥幼苗内源多胺(PAs)、过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)、叶绿素含量(Chl)、离子渗透率(PI)、抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性和表达量在盐胁迫下的变化。(3)过量表达GhSAMDC1基因对烟草营养生长和生殖生长的影响,以及内源自由态多胺含量、多胺合成和开花相关基因表达水平在烟草不同生长发育阶段的动态变化。结果与结论:(1)正常培养及100 mmol L-1 NaCl处理下,转GhSAMDC1基因拟南芥(1-4、1-12、1-14)种子萌发均明显延迟。培养1 d及100 mmol L-1 NaCl处理3 d转基因拟南芥内源腐胺(Put)、亚精胺(Spd)、精胺(Spm)含量及多胺总量(PAs)均明显低于野生型。正常培养1 d转基因拟南芥内源H2O2含量显著低于野生型;相反,100 mmol L-1 NaCl处理3 d H2O2含量明显高于野生型。互补试验表明转基因拟南芥内源自由态Spd含量的下降可能是导致种子萌发延迟的主要原因。(2)拟南芥中过量表达GhSAMDC1基因显著减少了拟南芥内源自由态腐胺(Put)含量,增加亚精胺(Spd)和精胺(Spm)含量。100 mmol L-1 NaCl处理下,转基因株系亚精胺合成酶(AtSPDS1、AtSPDS2)和精胺合成酶(AtSPMS)基因表达水平明显提高,内源自由态Spd和Spm含量,H2O2、MDA、Chl以及离子渗透率显著降低;此外,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活力明显高于野生型,其表达水平与活力变化趋势基本一致。因此,100 mmol L-1 NaCl处理下,GhSAMDC1基因通过提高Spd和Spm合成相关基因(AtSPDS1、AtSPDS2和AtSPMS)的表达,增加了转基因株系内源自由态Spd和Spm含量,提高了抗氧化系统相关酶(SOD、CAT)的活力和活性氧清除能力,增强了拟南芥的抗盐能力。(3)过量表达GhSAMDC1基因减少了烟草内源自由态Spd含量,增加了Spm含量,转基因植株营养生长加快和提前开花,NtSPDS4和NtSPMS表达量变化趋势与多胺含量变化趋势一致,开花相关基因基因(NtSCO1、NtAP1、NtNFL1和NtFT4)上调表达。通过外施Spd、Spm和DCHA(多胺抑制剂)表明,Spd和Spm分别主要参与营养生长和早期开花。推测,GhSAMDC1基因参与了Spd向Spm的转化,Spd含量的减少和Spm含量的增加是导致烟草营养生长加快,提前开花的主要原因。
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