转盐芥CBF1基因玉米对低磷胁迫的反应及其耐低磷机制的研究

摘要

磷作为植物生长发育所必需的大量元素之一，几乎参与了植物所有的生命活动过程。然而土壤有效磷浓度却通常在1μM左右，远不能满足植物获取充足磷营养的需求。在玉米主栽区，土壤有效磷不足是限制玉米产量和增加其生产成本的重要因素之一。虽然传统育种技术在玉米遗传改良方面取得了巨大成就，但由于其选择效率较低、周期较长，已不能满足当前玉米生产对优良品种的需求。因此，利用转基因技术培育磷高效玉米，并研究其耐低磷机制具有重要的理论意义和应用价值。
　　 本工作通过沙培实验初步鉴定，与未转基因对照植株相比，转TsCBF1基因玉米在缺磷条件下具有相对更高的低磷耐受性。根据沙培实验的筛选结果，结合本实验室张淑娟等(2007)对转TsCBF1基因玉米在耐旱方面的研究，选取转基因株系L-7、L-9、L-19，以未转基因受体植株为对照进行水培实验，测定各株系植株的生物量、磷含量等相关生理生化指标，并利用Real-timePCR技术分析磷饥饿响应相关基因的表达变化，来研究转TsCBF1基因玉米在低磷胁迫下的反应及其耐低磷机制。
　　 转基因植株和对照植株在低磷胁迫下的反应存在显著差异。在足磷(1000uMKH2PO4)条件下，转基因植株和对照植株地上部分和根系的生物量没有显著差异。低磷胁迫(5uMKH2PO4)抑制了玉米植株的生长，导致各株系植株地上部分和根系的生物量显著降低，但是，转基因植株地上部分和根系的生物量显著大于对照植株。低磷胁迫至18天时，各株系地上部分和根系的磷含量均显著降低，但是，转基因植株地上部分和根系的磷含量要显著大于对照植株，并且转基因植株的磷利用效率高于对照植株。在根系形态上，低磷胁迫下转基因植株的侧根数目和总根长高于对照植株，更发达的根系形态有利于转基因植株获取更多的磷营养。在足磷或低磷条件下，转基因植株和对照植株的磷吸收动力学参数Imax、Km、和Cmin没有显著差异，说明磷吸收机制不是导致转基因植株和对照植株低磷耐受性存在差异的主要原因。在正常供磷水平下，转基因植株叶片和根系的酸性磷酸酶活性均高于对照植株。低磷胁迫导致玉米植株各部位的酸性磷酸酶活性升高，其中转基因植株叶片和根系的酸性磷酸酶活性仍然显著高于对照植株，表明转基因植株对磷的再循环利用能力要高于对照植株，因而具有较强的低磷耐受性。低磷胁迫影响了各株系植株的光合能力，导致玉米叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著下降，胞间CO2浓度升高。但转基因植株在低磷条件下能维持较高的光合速率，PSⅡ的光能转换和利用效率显著高于对照植株，受磷胁迫的影响相对较小。低磷胁迫下，叶片中蔗糖的浓度升高，果糖和葡萄糖的浓度降低。根系中蔗糖、果糖和葡萄糖的浓度均升高。但是转基因植株叶片和根系中蔗糖的浓度显著高于对照植株。以上结果表明，转基因植株在低磷胁迫下具有相对较高的磷循环利用能力和光合能力，导致其低磷耐受性高于对照植株。
　　 转基因植物低磷耐受能力的增强涉及到部分基因表达调控发生变化。通过对磷饥饿响应相关基因的表达分析证明，低磷胁迫下玉米紫色酸性磷酸酶基因(PAP3、PAP4)、类核糖核酸酶基因（RNS）、磷转运蛋白基因(Phtl;1)的表达量上调。同时与糖代谢相关的β-淀粉酶基因（BAM1）、蔗糖磷酸合成酶基因（SPS）表达量上调，蔗糖合酶基因(SUS1)表达量下降。并且，β-淀粉酶基因(BAM1)在转基因植株中的表达量大于对照植株，说明TsCBF1基因的表达导致BAM1的表达量上调，从而有利于β-淀粉酶水解生成麦芽糖，在胁迫环境下麦芽糖的积累有利于保护功能蛋白、质膜以及光合电子传递链免遭破坏。
　　 本工作还通过盆栽实验对低磷胁迫下转基因株系L-7、L-9、L-19和未转基因对照株系的生长发育及产量进行了研究。与足磷条件下相比，低磷胁迫导致各株系的抽雄期、散粉期和吐丝期均推迟，但转基因植株受磷胁迫的影响小于对照植株。在低磷胁迫下，各玉米株系的株高、穗位高和雄穗长降低，穗位叶长、穗位叶宽以及雄穗分支数变化不明显。转基因植株的株高大于对照植株，且株系L-7、L-19与对照植株差异达到显著水平。同时，转基因植株的穗位高显著大于对照植株。果穗成熟后，统计果穗的穗长、穗重、百粒重等性状发现，低磷胁迫导致玉米植株的穗长和穗粒数减小，穗粒重和百粒重降低。低磷条件下，转基因株系L-7、L-9和L-19的籽粒产量（以穗粒重为计算标准）分别减少16.4％、23.3％和16.7％，而对照株系的籽粒产量减少28.2％。并且转基因植株的百粒重显著大于对照植株。这些结果进一步证明转TsCBF1基因玉米的耐低磷能力高于对照植株。
　　 总之，本工作通过沙培筛选和盆栽实验证明，与对照植株相比，转TsCBF1基因玉米的低磷耐受性提高。通过水培实验研究了转基因植株和对照植株对低磷胁迫响应的差异，结果表明低磷条件下转基因植株具有相对更强的磷循环再利用能力和光合能力，从而减轻了磷胁迫对其生长的抑制，导致其低磷耐受性高于对照植株。转录水平上磷饥饿响应基因表达变化的探究为进一步研究转TsCBF1基因玉米的低磷耐受机制提供了重要资料。