响应干旱胁迫黄瓜叶片质膜水通道蛋白的表达特征与生理功能分析

黄瓜是世界性的重要蔬菜，对干旱胁迫特别敏感，当土壤相对含水量低于70%即受到胁迫。质膜水孔蛋白（PIP）形成的水通道是细胞水分跨膜转运的主要通道。本研究以黄瓜为试材，采用Western blot 和荧光实时定量PCR技术研究其叶片与拟南芥响应干旱胁迫PIP同源PIP在干旱胁迫下的蛋白和基因表达，明确响应干旱胁迫叶片PIP；采用Northern blot和荧光原位杂交技术对响应干旱胁迫PIP进行器官特异性和亚细胞定位分析；对定位于保卫细胞PIP采用生物信息学方法分析其结构，在爪蟾卵母细胞中测定其表达和功能；克隆定位于叶片保卫细胞且具有水通道活性PIP基因农杆菌介导法转入拟南芥，研究干旱胁迫下转基因植株的表型、抗旱性及叶片生长和生理特性，初步探明响应干旱胁迫黄瓜叶片保卫细胞PIP生理功能。该研究对解析黄瓜在干旱胁迫下的分子响应和适应机理、改良黄瓜抗旱性以及丰富植物逆境生理理论等均具有重要意义。

本项目以“津优1号”黄瓜为试材，采用营养液栽培，通过在营养液中添加聚乙二醇（PEG）模拟干旱胁迫，研究了干旱胁迫对黄瓜幼苗生理代谢影响和响应干旱胁迫叶片质膜水通道蛋白的表达特性及功能。结果显示，10% PEG胁迫处理显著影响了黄瓜幼苗的生理代谢，植株体内活性氧水平显著增加，酶抗氧化系统比非酶抗氧化系统在清除活性氧过程中扮演了更积极的作用。胁迫导致幼苗的光合能力显著下降。通过生物信息学的方法构建进化树，明确了与拟南芥响应干旱胁迫同源的8个黄瓜PIP基因，分别编号为Cs1-8。对8个蛋白基因进行了荧光定量分析表明，其中5个蛋白基因表达在干旱下表达发生显著变化。Western blotting结果显示蛋白表达与基因表达有相同的趋势。对蛋白和基因表达都显著的Cs7蛋白基因进行Northern blotting和荧光原位杂交技术分析表明， Cs7 mRNA在叶片中的表达最高，其次为茎和根，不同处理间的表达模式为：10% PEG处理﹥5% PEG处理﹥CK。荧光原位杂交定位显示Cs7在叶片叶肉细胞、表皮细胞和保卫细胞中均有分布。生物信息学分析和爪蟾卵母细胞研究均显示Cs7具有水通道活性。克隆了Cs4、 Cs6和Cs7 三个基因，并将Cs7蛋白基因分别转入拟南芥和烟草，获得了转基因植株。转基因拟南芥植株的抗旱能力增强、生长速度加快；转基因植株叶片蒸腾速率显著低于野生型植株；光照诱导的转基因植株气孔开放明显快于野生型；黑暗条件诱导的转基因植株气孔关闭速率也快于野生型植株；转基因植株对ABA诱导的气孔关闭更加敏感，气孔关闭的速率显著高于野生型植株。本研究初步明确了黄瓜响应干旱胁迫的PIP种类，表达特性和功能，对解析黄瓜适应干旱胁迫下的分子机制以及丰富植物逆境生理理论等具有重要意义。项目执行期间共发表标注项目资助的论文8篇，其中SCI收录6篇。共培养硕士研究生5名，其中已毕业3名。