甜菜碱提高转基因植物耐热性的生理及分子机制

高温胁迫是影响作物生长和产量形成的重要环境因子，研究作物对高温胁迫的响应机制及利用转基因技术提高作物的耐热性具有重要意义。甜菜碱是植物在逆境胁迫下重要的保护物质，甜菜碱醛脱氢酶（BADH）和胆碱氧化酶（COD）是甜菜碱合成途径中的关键酶。以转BADH基因烟草和转COD基因番茄（野生型烟草和番茄本身不能合成甜菜碱）为试材，通过光系统II功能测定、蛋白质印迹以及酶学测定和基因表达谱分析等，研究转基因植物体内合成甜菜碱提高其耐热性的生理及分子机制。从光系统II反应中心D1蛋白修复循环、活性氧代谢、钙－钙调素信号物质以及热激蛋白等方面，探讨甜菜碱在高温胁迫下对D1蛋白、Rubisco活化酶及活性氧清除关键酶的保护作用机制，阐明甜菜碱与活性氧清除、钙离子－钙调蛋白以及热激蛋白在转基因植物耐热性获得中的调控关系。该研究对全面揭示甜菜碱提高作物耐热性的作用机理及对作物抗逆育种具有重要理论价值和实践意义。

甜菜碱是植物在逆境胁迫下重要的保护物质，甜菜碱醛脱氢酶（BADH）和胆碱氧化酶（COD）是甜菜碱合成途径中的关键酶。本课题以转BADH基因烟草和转COD基因番茄为试材，从光系统II反应中心D1蛋白修复循环、活性氧代谢、钙－钙调素信号物质以及热激蛋白等方面，探讨了甜菜碱在高温胁迫下对D1蛋白、Rubisco活化酶及活性氧清除关键酶的保护作用机制，揭示了阐明甜菜碱与活性氧清除、钙离子－钙调蛋白以及热激蛋白在转基因植物耐热性获得中的调控关系。结果表明：转BADH和转COD基因植物的耐热性提高，在高温胁迫下，转基因植物的光合速率降低程度明显低于野生型，光系统II受损伤程度较低。在中度高温胁迫下，甜菜碱通过对Rubisco活化酶的保护作用，提高了转基因植物光合作用对高温的耐性；在严重高温胁迫下，甜菜碱通过提高抗氧化酶活性，减轻了活性氧对光系统II和放氧复合体的伤害，提高了光系统II对高温胁迫的抗性。甜菜碱提高了转codA基因番茄种子耐热性。高温胁迫下，转codA基因番茄种子中热激蛋白基因的表达水平高于野生型番茄种子，HSP70含量高于野生型番茄。高温诱导HSP70的积累，转codA基因番茄和转BADH基因番茄叶片中HSP70含量高于野生型番茄；转codA基因番茄类囊体膜上HSP70含量高于野生型番茄；外源施加甜菜碱同样提高了高温下番茄叶片中HSP70的含量。高温导致PSII反应中心的损伤，尤其是D1蛋白的降解，造成D1蛋白含量的降低。转codA基因和转BADH基因番茄D1蛋白含量高于野生型番茄，而且外源施加甜菜碱番茄叶片中D1蛋白含量高于未施加甜菜碱的番茄。高温胁迫下转BADH基因烟草和转COD基因番茄叶片热激蛋白含量增加，而热激蛋白含量的增加与甜菜碱对热激转录因子和热激蛋白基因的表达促进有关。高温胁迫下，转BADH基因烟草叶片中Ca2+含量高于野生型烟草，较高的Ca2+-ATPase、Mg2+-ATPase活性，维持了胞质内Ca2+稳态平衡。在高温胁迫下，甜菜碱对热激蛋白的影响与提高钙离子浓度和钙调蛋白有关。该项研究从生理和分子生物学方面进一步揭示了甜菜碱提高转基因植物耐热性的机制，研究结果对利用甜菜碱合成的基因工程提高植物的耐热性具有非常重要的理论价值和指导意义。