烯丙异噻唑诱导拟南芥抗逆的分子机理和应用潜力探索

摘要

烯丙异噻唑(3-allyloxy-1，2-Benzisothiazole-1，1-dioxide，PBZ)是一种对植物低毒有效，对环境安全友好且价格低廉的人工合成的化学诱抗物质。由于其可能作为一种影响植物系统获得性抗性(Systemic acquired resistance，SAR)外源小分子参与植物SAR的诱导，而且对植物的正常的生长发育几乎没有影响。阐明其作用机制对了解植物SAR的诱导机理和开发新型生物农药都有重要意义。本研究以拟南芥为对象，通过RT-PCR和病原菌接种等方法建立了PBZ诱导拟南芥SAR的实验体系。鉴定出多个响应PBZ诱导的顺式元件。通过信号通路抑制剂结合PBZ诱导顺式元件进行分析，初步揭示了受多种WRKY转录因子激活的水杨酸(Salicylic acid，SA)诱导合成及NPR1依赖的信号途径与PBZ诱导SAR密切相关。另外，氧化还原状态的改变、蛋白的磷酸化和Ca2+等早期信号也参与其中。这些结果与基因芯片分析的结果类似。在此基础上，对鉴定出的PBZ诱导元件进行了三元件的二倍异质组合。结果发现，这些组合启动子与同样载体系统中的PR1启动子相比，普遍表现出了较低的本底表达和更高的PBZ诱导倍数。这一结果显示构建新型化学诱导系统是可能的。
　　 通过化学手段提高植物的非生物胁迫诱导抗性，尤其是通过可大田应用的化学物质提高植物抗旱耐盐的研究尚不多见。本实验通过形态学观察和生物量积累分析等方法，首次鉴定出PBZ处理可增加拟南芥抗旱耐盐的特性。通过ABRE(ABA-responsive element)，DRE(dehydration-responsive element)，GCC和JERE(JA/ET responsive element)等顺式元件分析发现，茉莉酸/乙烯和SA途径可能与PBZ诱导避旱关系密切，但植物抗旱过程中常有重要作用的脱落酸依赖和非依赖的几条信号途径则关系不大。这与基因芯片分析的结果一致。突变体阻断分析结果显示，茉莉酸/乙烯信号通路受阻的coil-1、etrl-1突变体、SA信号通路中重要因子NPR1的npr1突变体与野生型材料表现类似，只有与SA诱导合成关系密切的sid2-2突变体明显阻断了PBZ诱导的避旱表现。因此，推测PBZ是通过诱导SA依赖和NPR1非依赖的信号途诱导了植物的避旱性。这一结果显示，PBZ以不同机制诱导植物抗生物胁迫和非生物胁迫的过程。
　　 虽然通过转基因提高植物的抗逆性已有较多研究，但由于提高植物抗逆性涉及因素众多，不易实现。因此，探索方便高效地提高植物抗逆的新方法显得非常重要。在本实验中，PBZ被用于研究与NPK1K诱导表达株系互作后，对植物抗渗透胁迫能力和生物量积累的影响，以了解二者组合使用的效果。通过将逆境响应的ABRE(ABA-responsive element)元件与烟草的促分裂原活化蛋白激酶的激酶之激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase NPK1)组合构建融合基因。对其转基因株系进行分析，结果显示，NPK1K的适时适量表达能够提高转基因植物对渗透胁迫的抗性和相对生物量积累。而经PBZ处理的ABRE-NPK1K株系能明显提高植物在干旱处理后的成活率，这一幅度比二者中任何一个的单独作用效果都要明显，而且还促进了植物在于旱环境下的相对生物量积累。这些结果表明，二者在提高植物抗渗透胁迫和生物量积累方面可以协同互作。通过对相关基因转录水平的分析表明，这可能与二者分别引起的避旱性和耐旱性信号途径的加性效应和正反馈互作有关。根据以上结果认为，这种方便高效的利用小分子物质外施，结合信号上游基因诱导表达的应用可能会成为未来植物抗逆育种中的新手段。