小麦类钙调素调节植物耐盐性的功能研究

Crop performance is severely affected by high salt concentrations in soils. Ca2+ signal has been widely proved to be involved in plant response to salt stress. Calmodulin-like protein (CML) is a large gene family of Ca2+ binding proteins. However, the functions of CML were largely unknown. In our previous study, a CML gene, TaCML36 was isolated from wheat. The expression of TaCML36 was induced by heat shock, salt and osmotic stress. To elucidate the biological function of TaCML36, the vector for sub-cellular location, over-expression, and gene knock-out of TaCML36 were constructed. In this project, the temporal and spatial expression pattern and sub-cellular location of TaCML36 will be studied, and the phenotype of over-expression and loss-function lines of TaCML36 will be surveyed under normal condition and salt stress. Thereafter, the stress-related physiology index and genes expression will be analyzed in over-expression and loss-function lines of TaCML36. This project can discover new salt stress related gene in wheat, reveal the possible mechanism of CML involving in salt tolerance, and contribute to the marker-assisted selection breeding and transgenic breeding for wheat.

盐胁迫是严重影响植物生长的非生物胁迫，钙信号在植物耐盐反应中起到至关重要的作用。类钙调素(Calmodulin-like protein, CML)是植物中成员最多的钙离子结合蛋白家族，但是大部分CML基因的功能未知。在前期的工作中，我们在小麦中找到了一个受盐、渗透胁迫和热激诱导的类钙调素基因TaCML36。为了研究TaCML36在小麦耐盐反应中的作用，我们构建了TaCML36的亚细胞定位载体、基因过表达载体和基因编辑载体。本项目拟通过分析TaCML36的组织表达特性和亚细胞定位，以及TaCML36基因过表达和敲除株系在盐胁迫下的表型、相关的生理指标和逆境响应基因的表达，鉴定TaCML36调节植物耐盐性的功能，并初步揭示TaCML36参与植物耐盐反应的机理。本项目的顺利实施，可以发掘新的小麦盐胁迫相关基因，为小麦耐盐分子育种提供理论依据，为小麦转基因育种提供材料基础。

钙信号在植物耐盐反应中起到至关重要的作用，类钙调素(Calmodulin-like protein, CML)是植物中成员最多的钙离子结合蛋白家族，广泛参与了植物的生长发育和抗逆信号转导过程，但是小麦中大部分类钙调素基因的功能未知。我们前期在小麦中克隆了一个类钙调素基因TaCML36，该基因的表达受盐、渗透胁迫和热激诱导。在本项目中，为了研究TaCML36在小麦耐盐反应中的作用，我们用定量PCR的方法检测了TaCML36基因在幼根、幼嫩的地上部分、成熟根、茎、叶、倒二叶、旗叶、花、种子的组织表达模式，结果显示，TaCML36基因在检测的所有组织中均有表达，且在成熟根中的表达量最高，种子中的表达量最低。利用前期构建的GFP与TaCML36融合蛋白的二元表达载体，并利用农杆菌浸染烟草叶片的方法，观察到TaCML36在细胞核、细胞质中均有表达。利用前期构建的UBI为启动子的TaCML36过表达载体，将其转入小麦品种Fielder，共获得独立的转基因阳性株系11个；经过T1代和T2代的分离鉴定，已得到来自5个独立株系的纯合株系。过表达株系1-2和7-1相对于对照品种Fielder，抽穗期明显提前，表明TaCML36的过表达促进了植物的开花过程。在盐胁迫条件下，过表达株系的生长状态明显优于对照；过表达株系的Na+和MDA的积累明显低于对照品种Fielder，脯氨酸含量明显高于对照品种；基因表达检测显示，过表达株系中MYC2、KIN2、RD22、RD29A的表达量低于对照品种Fielder，过表达株系中HKT1的表达量高于对照。本项目发现了新的小麦盐胁迫相关基因TaCML36，在理论上揭示了钙信号参与植物抗盐的新机制，也为小麦耐盐分子育种提供了理论依据，为小麦转基因育种提供了耐盐材料。