AtCBF3提高转基因马铃薯耐热性的研究

摘要

高温是一种常见的非生物胁迫因子，严重的影响作物的生长和产量。利用现代生物技术提高植物的耐热性，对于减轻不良温度对植物的生长、发育和产量的影响具有重要的理论价值和生产实践意义。本研究以野生型、转35S∷AtCBF3和rd29A∷AtCBF3三种马铃薯植株为实验材料，研究AtCBF3基因表达与高温逆境的相关性，探究AtCBF3转录因子提高马铃薯耐热性的生理和分子机制等。主要结果如下:
　　(1)高温可以诱导转基因植株中AtCBF3的表达，并且发现在40℃胁迫1h时，叶中AtCBF3表达量最大。
　　(2)高温胁迫导致净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)的降低，尤其是Gs，其在高温结束后的24h内仍然在下降。但转基因马铃薯的Pn和Gs降低幅度低于野生型的。
　　(3)在40℃处理4h后，转基因和野生型植株的O-J-I-P曲线有明显区别，其中，野生型马铃薯的WK和VJ明显高于转基因的。热胁迫时，野生型马铃薯叶片的DIo/RC、DIo/CSo、ψDo和Mo显著高于转基因马铃薯，而PIABs明显低于转基因马铃薯。
　　(4)正常条件下，转35S∷AtCBF3植株(S1)的D1蛋白的含量明显高于WT和转rd29A∷AtCBF3(R6)植株;高温处理后，各株系的D1蛋白含量皆下降，但转基因株系D1蛋白含量高于野生型;24h恢复后，与野生型相比，转基因马铃薯D1蛋白含量可以更快的恢复到未处理前的水平。
　　(5)正常条件下，转基因和野生型马铃薯叶片中O2·-和H2O2的积累没有明显差别，但高温胁迫处理后，野生型马铃薯叶片中O2·-和H2O2的积累量明显高于转基因株系。并且胁迫消失后，转基因马铃薯叶片中的O2·-比野生型的能够更快的降低到未处理前水平。抗氧化酶活性的测定结果表明，胁迫下转基因马铃薯能维持更高的抗氧化酶活性。
　　(6)受AtCBF3调控的下游八个基因(StGLDH、 StGMPase、 StDHAR1、StDHAR2、Staldolase、StsFBPase、 StSPS和StADPase)的表达图谱是多样的，野生型和转基因植株的表达图谱具有明显的差异性。尤其是在热处理时，StGMPase、 StDHAR1和StDHAR2在野生型中表达下调，但在转基因中表达上调。热胁迫下，这八个基因在转基因马铃薯中的表达量要高于野生型的，甚至在未处理和恢复时也存在这种趋势。
　　(7)在正常条件下，野生型和转基因马铃薯中叶片中的HSP70的含量没有明显差别。热胁迫处理后，野生型马铃薯叶片中HSP70的积累量增加，但转基因马铃薯叶片中HSP70含量降低。并且在恢复时，R6中HSP70的积累量是高于S1和WT的。
　　(8) R6植株经EGTA处理后，叶片中AtCBF3的表达量是低于对照，而经CaCl2处理后，叶片中AtCBF3的表达量提高。
　　(9)相同生长条件下，转35S∷AtCBF3马铃薯植株生长速度较慢;转基因和野生型马铃薯在叶片形状大小和根数量上有明显区别。
　　以上结果表明，AtCBF3可能通过调控许多抗性基因的表达，加强可溶性物质的积累，提高光合性能和抗氧化能力，并减少和清除过多的ROS，以此来提高马铃薯的耐热性。但这种调节作用不依赖于HSP70的累积和修复功能，换言之，AtCBF3不调节HSP70所参与的调控途径。另外，高温诱导转基因植株中AtCBF3的表达，可能与细胞内钙离子浓度的增加有关。与野生型马铃薯相比，胁迫消失后，转基因植株能更好更快地恢复到正常状态。并且两种启动子调控的转基因马铃薯除了在生长形态上有差别外，在耐热性方面没有明显的差异。