SeNHX1和BADH基因提高植物耐盐性的研究

土壤的盐碱化问题已经严重影响到世界范围内许多重要作物的生产。培育耐盐作物是解决这一问题的最有效途经。利用耐盐相关基因的转化可以在不改变或很少改变植物其它性状的情况下提高植物的耐盐性，因此基因工程方法对于改良植物耐盐性及其机理的研究具有重要的意义。目前植物耐盐基因工程从调控渗透调节物质和盐离子区隔化两个方面开展了较多的研究。已经获得一些耐盐性提高的转基因植物。 本研究拟用耐盐性较强植物山菠菜中的甜菜碱合成关键基因BADH和盐生植物盐角草的液泡膜Na+/H+ anitiporter基因SeNHX1对模式植物烟草进行转化，以确定其各自在耐盐性方面所起的作用。同时，现有的研究表明植物的耐盐性是多基因控制的复杂性状，因此拟把SeNHX1和BADH 这两个涉及不同耐盐机理的基因构建到同一个植物表达载体上，以比较单基因转化和双基因转化在提高植物耐盐性方面的优劣。除此之外，并对已经转入BADH基因番茄的耐盐性和遗传稳定性分析进行了研究。 转BADH基因番茄已经稳定遗传到T4世代。通过对5个转BADH基因番茄株系在T0世代、T3世代和T4世代的分析，表明除了株系T4-3由T0世代的3个拷贝变为1个拷贝外，其余各株系拷贝数均没有发生变化。外源基因编码的酶活性和最终催化产物甜菜碱在盐分胁迫下都能较容易的检测到，说明外源基因在番茄基因组中的遗传是稳定的，没有发生丢失。在连续2个世代的耐盐性鉴定中，各转基因株系的耐盐性较为一致，均比野生型有了较大的提高。其中株系T4-5连续2年表现出了较低的减产率，株系T4-8也在连续的2年中表现出了最高的单株产量。盐分胁迫下转BADH基因各个株系比野生型有较高的K+和Ca2+含量，较低的Na+含量，转基因株系较野生型有较低的脐腐病果率。 通过SeNHX1、BADH单独转化以及构建双价载体共转化的方法获得了3种类型的转基因烟草。Southern和Northern 检测结果表明，外源基因已经整合到烟草基因组中，并得到了正确的表达。转BADH基因烟草在盐分胁迫下能检测到明显的BADH酶活性和甜菜碱含量。转基因烟草T0代对盐分胁迫、氧化胁迫的抗性均较野生型对照有较大的提高。转基因株系在200 mM NaCl胁迫下较野生型有较高的光合速度。百草枯处理过的野生型叶盘比转基因株系积累了更多的丙二醛，表明野生型受到了更大的氧化胁迫。 已经获得3种转不同基因烟草的T1代，且T1代具有较强的耐渗透胁迫能力。转基因烟草的T0种子均能在含100 mg/L 卡钠霉素培养基上发芽和正常生长，其中部分种子能够在含200 mM NaCl 培养基上发芽并能较好的生长，而野生型根本不能发芽。从200 mM甘露醇胁迫1周后，又转移到营养液中的生长1周的情况来看，转基因烟草能较快的恢复正常的生长，有新的叶子和根长出，而野生型却不能，同时转基因株系比野生型具有更大的单株鲜重。 转BADH基因番茄在遗传上是稳定的，并且其耐盐性有了较大的提高。双基因转化烟草的抗盐性要好于单基因转化，但SeNHX1基因转化要好于BADH基因转化。说明SeNHX1基因在提高植物耐盐性方面要比BADH基因有更强的功能，同时，也表明多基因转化在植物的耐盐改良方面可能是一个更为有效的方法。

利用多基因转化技术培育重金属超富集植物的研究

植物耐受和积累重金属的细胞学基础是植物细胞内存在一些能够络合和区隔化金属离子的机制。细胞中络合重金属离子最重要的小肽分子是谷胱甘肽(GSH)和植物络合素(PCs)，而YCFⅠ基因编码的ABC-type 液泡膜转运蛋白负责将重金属离子及其与上述小肽形成的复合物转运进入细胞液泡中，即将重金属离子区隔化。植物细胞中合成GSH 和PCs 的关键酶分别是γ－谷氨酰氨半胱氨酸合成酶(GSHⅠ)和植物络合素合酶(PCS)，他们的编码基因分别为GSHⅠ 和PCS 。此外定位于细胞质中的小囊泡上且对二价阳离子的吸收和转运有重要作用的SMF2 蛋白可能也参与重金属离子的区隔化过程。 为了改良植物使之能够应用于清除土壤中的重金属污染，本研究基于植物耐受和积累重金属的细胞学机制，分别将酿酒酵母来源的GSHⅠ、YCFⅠ和SMF2 基因，以及GSHⅠ、YCFⅠ基因分别与镉抗性植物大蒜来源的AsPCSⅠ 基因构建为不同的基因组合表达载体，转化模式植物拟南芥。对不同组合转基因拟南芥的功能分析表明： 1、酵母来源的基因GHSⅠ、YCFⅠ分别在拟南芥中异源超表达可以在一定程度上提高转基因拟南芥耐受、积累重金属的能力;其中GSHⅠ基因在拟南芥超表达可以提高转基因拟南芥合成GSH 的能力，转基因拟南芥细胞中GSH 浓度比野生型增加。 2、将GSHⅠ基因和来自大蒜的AsPCSⅠ基因同时在拟南芥中超表达能够显著提高转基因拟南芥耐受和积累重金属的能力，且积累和耐受能力显著高于分别转GSHⅠ或AsPCSⅠ的单价转基因株系;将YCFⅠ基因和AsPCSⅠ基因同时在拟南芥中超表达也能够显著提高转基因拟南芥耐受和积累重金属的能力，且积累和耐受能力显著高于分别转YCFⅠ或AsPCSⅠ的单价转基因株系。两种双价转基因株系GSHⅠ＋AsPCSⅠ和YCFⅠ＋AsPCSⅠ在积累和耐受不同重金属胁迫方面没有明显差别。 3、将SMF2 基因在拟南芥中异源表达，研究了植物中囊泡转运是否参与了重金属离子的吸收和区隔化过程。研究结果表明：超表达SMF2 基因的拟南芥尽管耐受重金属胁迫的能力与野生型没有明显差异，但其积累重金属的能力显著提高。这为证明植物中小囊泡转运参与重金属转运提供了间接证据。 综上所述，同时将多个参与植物对重金属络合、转运和区隔化作用的关键基因在转基因植物中表达可以提高植物耐受和积累重金属的能力，是培育可用于植物修复的新型工程植物的值得探索的途径。本论文所设计和构建的双价基因组合及其对目标植物的转化，在环境重金属污染的清除中有潜在的应用价值。