关键词:
碱蓬
盐生植物
光合作用
耐盐性
生物钟基因
器官发生
摘要:
农作物是我们维持生计的重要来源,但近年来,受到人类活动、自然灾害和气候变化的影响,可耕作土地面积不断减少,作物产量受到严重威胁。尤其令人担忧的是土壤盐碱化现象的加重,它已经成为危及粮食安全的主要因素之一。中国作为一个盐碱地灾害相对严重的国家,阿富汗则面临更加严重的土壤盐碱问题。大多数农作物都是“甜土植物”,难以在高盐度土地上生长。然而,苋科(原藜科)植物中的盐地碱蓬(***)却能够耐受高达600 m M Na Cl的盐度,具备独特的“吸盐”和“储盐”能力。深入研究盐地碱蓬的耐盐机制不仅可以为作物遗传改良提供重要的指导,还有望为作物育种提供宝贵的耐盐性基因资源。考虑到申请者所在国家的现状和所在实验室的研究方向,申请者致力于深入研究盐地碱蓬,开展了以下四个主要研究方向:(1)高效再生系统对于进行功能基因组研究是一个必要条件,然而长期以来,碱蓬的高效再生系统一直未能建立。申请者的首要任务是克服这一挑战,通过对碱蓬再生系统的探索和优化,成功建立了一个以6-BA和IBA为主要植物激素的器官发生程序为基础的再生系统。此外,考虑到碱蓬目前难以进行遗传转化,申请者还研发了一套完善的碱蓬原生质体分离和提取技术,以及一种以聚乙二醇介导的碱蓬遗传转化系统。这些技术的建立为将碱蓬发展成为盐土植物模式提供了重要的技术基础。(2)作为一种高度耐盐的植物,碱蓬在应对高盐浓度的环境中的生长、发育和生理方面具有重要的适应性。为了更深入理解碱蓬的耐盐机制,申请者进行了针对盐胁迫的研究,得出以下结果:(1)在中低盐浓度(Na Cl)下,碱蓬的生长和光合色素积累受到促进;然而,高盐浓度抑制了分枝数量和叶绿素含量,但仍促进了碱蓬的生物量积累。(2)低盐浓度胁迫增强了Fo和Fm值的提高,盐处理增强了在低盐浓度下Fo和Fm值的进一步增加,然而,PSII反应中心的最大量子效率(Fv/Fm)和PSII的量子产率(φPSII)没有显著变化;(3)PSII的光化学猝灭(q P)和非光化学猝灭(NPQ)在低盐浓度下增加,在中高盐度下降低。这些结果表明,即使在高盐浓度下(400 m M Na Cl),碱蓬仍表现出较高的耐盐性;PSII在高盐胁迫下的生长参数、光合色素和叶绿素荧光数据可被视为在盐碱地上种植碱蓬的基础信息。(3)光合作用是植物最重要的生命活动之一,但对于碱蓬的光合作用类型,迄今缺乏足够的分子生物学证据。为了填补这一知识空白,申请者采取了每2小时一次的样本采集方式,对碱蓬进行了全天24小时的研究,并应用RNA-seq技术来分析基因组水平的基因表达变化。通过这项研究,申请者鉴定了碱蓬基因组中的节律基因,进一步通过这些基因的表达情况来确定了碱蓬的光合作用类型,研究结果如下:(1)成功鉴定了1676个碱蓬的节律基因,并深入分析了它们的表达及调控情况;(2)明确了碱蓬核心生物钟基因的鉴定,并揭示了其调控途径;(3)分析了参与碱蓬光能吸收、光反应和暗反应等过程的基因,通过周期性表达分析,最终确定了碱蓬作为C植物的光合作用类型。这些研究结果为进一步深入了解这一调控系统对碱蓬和其他C植物的农艺性状的影响提供了坚实的基础。(4)申请者所在的科研团队的一个重要任务是鉴定和分离碱蓬的耐盐基因资源。在这个领域,申请者进行了与碱蓬SAP(stress-associated protein)相关基因的基因组鉴定、分析和功能验证工作。主要的研究进展包括:(1)在碱蓬中鉴定了15个SAP基因,并对它们的基因结构、蛋白质模体以及表达特性进行了详细分析;(2)序列比对、保守结构域和基因组结构分析揭示了碱蓬SAPs具有高度保守性,它们编码A20/AN1锌指蛋白;(3)通过转录组热图分析,我们观察到大多数碱蓬SAPs基因在盐胁迫下显著上调表达;(4)我们将在盐胁迫条件下高表达的基因克隆并转移到模式植物拟南芥中,对3个候选基因进行了功能分析。结果显示,在盐胁迫下,转基因植株Sg SAP2和Sg SAP4表现出高表达以及对盐胁迫的耐受性。这项研究为通过基因家族和基因表达分析挖掘碱蓬的耐盐基因提供了示范和参考。综上所述,博士学位申请者的研究深化了我们对盐土植物碱蓬的了解,明确了碱蓬在应对盐胁迫时的反应机制,通过分子水平的研究揭示了碱蓬的光合作用类型,并成功挖掘到3个具备潜在耐盐性的候选基因。这项研究为将碱蓬发展成为盐土植物的模式植物奠定了坚实的基础。此外,申请者在这项研究中所掌握的知识和技术将在不久的将来为阿富汗的农业发展提供服务。