新疆雪莲水孔蛋白sikPIP1;5和sikPIP2;7基因低温响应机制研究

Aquaporin(AQP) plays an important role in the moisture resistance physiology of plants. Two aquaporin genes named sikPIP1;5 and sikPIP2;7 have been required from Sasussured involucrata Kar.et Kir ,which have obvious antifreeze and drought tolerance. In order to study theirs response mechanism in under low temperature stress,we linked the whole of the moisture regulation and dynamic response of target genes in low temperature from Sasussured involucrate, and with the help of Arabidopsis thaliana, We studied the target protein of tissue dynamic distribution and the dynamic subcellular localization in tissue and cell When they responded to the stimulation of different low temperature; We analysed the reversible phosphorylation of target proteins gating response mode When they responded to different stimulation in low temperature; We analyzed it's transformation of cold resistance ability to NA, CA, SZA and used transgenic Arabidopsis; We studied the linkage of the endogenous genes and target genes in Arabidopsis thaliana through the expression techniques; We analyzed cold coordination mechanism of the target gene and the cold resistance gene and used the hybrid technology; Finally, we analyzed the whole of the response pattern of the sikPIP1;5 and sikPIP2;7 in low temperature which from Sasussured involucrata. The research of this project will contribute to reveal the molecular mechanism of antifreeze of sikPIP1; 5 and sikPIP2; 7,and has important theoretical and practical significance.

水孔蛋白在植物水分抗性生理中起到重要的调节作用。从新疆雪莲中获得2个具有明显抗冻抗旱效果的质膜内在水孔蛋白基因（sikPIP1;5和sikPIP2;7）。为了研究它们在不同低温胁迫下的响应机制，本研究从雪莲总体水分调控与目标基因低温动态响应的关联分析入手，借助拟南芥的技术平台，研究组织和细胞在应对不同低温刺激下，目标蛋白在植物中的组织动态分布和亚细胞的动态定位；分析目标蛋白在不同逆境处理下可逆磷酸化的门控响应模式；利用转基因的拟南芥对比分析其对NA、CA、SZA抗寒能力变化；通过外源基因的过表达技术研究拟南芥内源水孔蛋白家族基因与目标基因的联动作用；采用植物杂交技术分析杂合体中目标基因与抗寒基因的抗寒协同机制，最后从总体上分析雪莲的sikPIP1;5和sikPIP2;7基因低温响应动态模式。项目的研究有助揭示sikPIP1;5和sikPIP2;7抗冻的分子机理，具有重要理论和实践意义。

水孔蛋白在植物的水分渗透调节过程发挥着重要作用。转sikPIP2;7和SIKPIP1;5基因的烟草提高植物的抗寒和抗旱能力。转sikPIP2;7基因雪莲能够保护冰冻的雪莲幼苗叶片不受冰晶的伤害。转sikPIP2;7和SIKPIP1;5基因番茄，显著提高了番茄的抗旱、抗盐和抗寒能力。sikPIP1;5和sikPIP2;7基因的启动子元析分析只有sikPIP2;7的启动子含有逆境和冷响应元件。低温表达谱分析，在雪莲中，sikPIP2;7 、sikPIP1;5 和sikPIP2;1基因趋向于在较低温度下上调表达，不同基因应对不同温度变化响应模式存在差异。雪莲水孔蛋白基因主要在温度变化的过程起作用，通过转录调控植物的水分状态，重新适应新的低温环境。转sikPIP2;7基因提高了拟南芥细胞内的渗诱压。对sikPIP2;7基因的磷酸化位点（Ser113,Ser186）进行了突变，转突变基因的拟南芥试验证明：细胞渗透压的提高与sikPIP2;7活性有关，并且sikPIP2;7位点Ser186的去磷酸化的状态在调节渗透压变化过程中起重要作用。总体磷化化与去磷化化处理发现：细胞还存在着另外影响渗透压变化的因素。转sikPIP2;7基因拟南芥应对PEG、NaCI和低温胁迫的渗透调节机制不同。对于低温胁迫，转基因植物主要通过提高根系的吸水能力和叶片的保水力，增强抗寒性。转sikPIP2;7基因广泛的影响了拟南内源基因的表达，不同低温处理下，根与叶的表达谱存在很大差异。与野生型相比，在-2℃的转基因的根中sikPIP2;5表达上调.叶中AtPIP1;4，AtPIP2；5，AtPIP2.2基因上调表达。这些基因已被证明在低温条下，能够提高植物根系的导水率和渗诱吸水能力。因此，转基因植物能够通过增加根系的渗透吸水能力和提高叶片的保水性，增强植物的抗寒性。综上说明水分渗透调节在植物抗寒过程中发挥着重要作用。通过蛋白质互作网络分析，深入讨论了K+在调节植物渗透调节中可能作用。将sikPIP2;7基因转入南方优质牧草杂交狼尾草，显著提高杂交狼尾草的抗冷性。转基因sikPIP2;7的棉花在提高抗旱性同时，在田间正常管理条件下，极显著提高了棉花的结铃性，展示该基因良好的应用前景。