轉(zhuǎn)鹽芥CBF1基因玉米對(duì)低磷脅迫的反應(yīng)及其耐低磷機(jī)制的研究.pdf

1、磷作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，幾乎參與了植物所有的生命活動(dòng)過(guò)程。然而土壤有效磷濃度卻通常在1μM左右，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足植物獲取充足磷營(yíng)養(yǎng)的需求。在玉米主栽區(qū)，土壤有效磷不足是限制玉米產(chǎn)量和增加其生產(chǎn)成本的重要因素之一。雖然傳統(tǒng)育種技術(shù)在玉米遺傳改良方面取得了巨大成就，但由于其選擇效率較低、周期較長(zhǎng)，已不能滿(mǎn)足當(dāng)前玉米生產(chǎn)對(duì)優(yōu)良品種的需求。因此，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育磷高效玉米，并研究其耐低磷機(jī)制具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　

2、 本工作通過(guò)沙培實(shí)驗(yàn)初步鑒定，與未轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓晗啾?，轉(zhuǎn)TsCBF1基因玉米在缺磷條件下具有相對(duì)更高的低磷耐受性。根據(jù)沙培實(shí)驗(yàn)的篩選結(jié)果，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室張淑娟等(2007)對(duì)轉(zhuǎn)TsCBF1基因玉米在耐旱方面的研究，選取轉(zhuǎn)基因株系L-7、L-9、L-19，以未轉(zhuǎn)基因受體植株為對(duì)照進(jìn)行水培實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各株系植株的生物量、磷含量等相關(guān)生理生化指標(biāo)，并利用Real-timePCR技術(shù)分析磷饑餓響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)變化，來(lái)研究轉(zhuǎn)TsCBF1基因玉米在

3、低磷脅迫下的反應(yīng)及其耐低磷機(jī)制。
　　 轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照植株在低磷脅迫下的反應(yīng)存在顯著差異。在足磷(1000uMKH2PO4)條件下，轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照植株地上部分和根系的生物量沒(méi)有顯著差異。低磷脅迫(5uMKH2PO4)抑制了玉米植株的生長(zhǎng)，導(dǎo)致各株系植株地上部分和根系的生物量顯著降低，但是，轉(zhuǎn)基因植株地上部分和根系的生物量顯著大于對(duì)照植株。低磷脅迫至18天時(shí)，各株系地上部分和根系的磷含量均顯著降低，但是，轉(zhuǎn)基因植株地上部分和根

4、系的磷含量要顯著大于對(duì)照植株，并且轉(zhuǎn)基因植株的磷利用效率高于對(duì)照植株。在根系形態(tài)上，低磷脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的側(cè)根數(shù)目和總根長(zhǎng)高于對(duì)照植株，更發(fā)達(dá)的根系形態(tài)有利于轉(zhuǎn)基因植株獲取更多的磷營(yíng)養(yǎng)。在足磷或低磷條件下，轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照植株的磷吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)Imax、Km、和Cmin沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明磷吸收機(jī)制不是導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照植株低磷耐受性存在差異的主要原因。在正常供磷水平下，轉(zhuǎn)基因植株葉片和根系的酸性磷酸酶活性均高于對(duì)照植株。低磷脅迫導(dǎo)致玉

5、米植株各部位的酸性磷酸酶活性升高，其中轉(zhuǎn)基因植株葉片和根系的酸性磷酸酶活性仍然顯著高于對(duì)照植株，表明轉(zhuǎn)基因植株對(duì)磷的再循環(huán)利用能力要高于對(duì)照植株，因而具有較強(qiáng)的低磷耐受性。低磷脅迫影響了各株系植株的光合能力，導(dǎo)致玉米葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著下降，胞間CO2濃度升高。但轉(zhuǎn)基因植株在低磷條件下能維持較高的光合速率，PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換和利用效率顯著高于對(duì)照植株，受磷脅迫的影響相對(duì)較小。低磷脅迫下，葉片中蔗糖的濃度升高，果糖和葡萄

6、糖的濃度降低。根系中蔗糖、果糖和葡萄糖的濃度均升高。但是轉(zhuǎn)基因植株葉片和根系中蔗糖的濃度顯著高于對(duì)照植株。以上結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植株在低磷脅迫下具有相對(duì)較高的磷循環(huán)利用能力和光合能力，導(dǎo)致其低磷耐受性高于對(duì)照植株。
　　 轉(zhuǎn)基因植物低磷耐受能力的增強(qiáng)涉及到部分基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)磷饑餓響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)分析證明，低磷脅迫下玉米紫色酸性磷酸酶基因(PAP3、PAP4)、類(lèi)核糖核酸酶基因（RNS）、磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(Phtl;1

7、)的表達(dá)量上調(diào)。同時(shí)與糖代謝相關(guān)的β-淀粉酶基因（BAM1）、蔗糖磷酸合成酶基因（SPS）表達(dá)量上調(diào)，蔗糖合酶基因(SUS1)表達(dá)量下降。并且，β-淀粉酶基因(BAM1)在轉(zhuǎn)基因植株中的表達(dá)量大于對(duì)照植株，說(shuō)明TsCBF1基因的表達(dá)導(dǎo)致BAM1的表達(dá)量上調(diào)，從而有利于β-淀粉酶水解生成麥芽糖，在脅迫環(huán)境下麥芽糖的積累有利于保護(hù)功能蛋白、質(zhì)膜以及光合電子傳遞鏈免遭破壞。
　　 本工作還通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)對(duì)低磷脅迫下轉(zhuǎn)基因株系L-7、L-

8、9、L-19和未轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩晗档纳L(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量進(jìn)行了研究。與足磷條件下相比，低磷脅迫導(dǎo)致各株系的抽雄期、散粉期和吐絲期均推遲，但轉(zhuǎn)基因植株受磷脅迫的影響小于對(duì)照植株。在低磷脅迫下，各玉米株系的株高、穗位高和雄穗長(zhǎng)降低，穗位葉長(zhǎng)、穗位葉寬以及雄穗分支數(shù)變化不明顯。轉(zhuǎn)基因植株的株高大于對(duì)照植株，且株系L-7、L-19與對(duì)照植株差異達(dá)到顯著水平。同時(shí)，轉(zhuǎn)基因植株的穗位高顯著大于對(duì)照植株。果穗成熟后，統(tǒng)計(jì)果穗的穗長(zhǎng)、穗重、百粒重等性狀發(fā)現(xiàn)，低磷

9、脅迫導(dǎo)致玉米植株的穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)減小，穗粒重和百粒重降低。低磷條件下，轉(zhuǎn)基因株系L-7、L-9和L-19的籽粒產(chǎn)量（以穗粒重為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)）分別減少16.4％、23.3％和16.7％，而對(duì)照株系的籽粒產(chǎn)量減少28.2％。并且轉(zhuǎn)基因植株的百粒重顯著大于對(duì)照植株。這些結(jié)果進(jìn)一步證明轉(zhuǎn)TsCBF1基因玉米的耐低磷能力高于對(duì)照植株。
　　 總之，本工作通過(guò)沙培篩選和盆栽實(shí)驗(yàn)證明，與對(duì)照植株相比，轉(zhuǎn)TsCBF1基因玉米的低磷耐受性提高。通過(guò)水培