玉米中两个参与二氧化硫胁迫响应基因ZmSO和ZmSR的功能研究

二氧化硫污染造成环境恶化，酸雨次数增多，由此诱发的生理性病害对玉米生长的危害逐年加重，成为影响玉米生产的突出问题。借鉴前期拟南芥亚硫酸氧化酶基因AtSO的研究成果，采用mRNA差异显示技术在玉米中筛选到一个对SO2胁迫响应的编码亚硫酸还原酶基因ZmSR，利用拟南芥Atso敲除突变体初步证明ZmSO和ZmSR可能参与了玉米对SO2胁迫的抗性反应。本项目拟在原核表达系统表达并纯化ZmSO和ZmSR蛋白，研究其生化功能；利用以拟南芥Atso敲除突变体为背景获得的ZmSO和ZmSR转基因株系，来研究这两个基因在植物对SO2胁迫抗性反应中的生物学功能；采用雀麦草花叶病毒载体介导的玉米基因沉默技术，进一步鉴定ZmSO和ZmSR调控玉米抗SO2胁迫的潜力，初步阐明ZmSO和ZmSR参与调控玉米对SO2胁迫抗性反应的分子机理，为玉米抗环境污染 (SO2、酸雨等)的遗传改良提供可资利用的基因资源。

二氧化硫污染诱发生理性病害，对玉米生长发育造成危害，成为影响玉米生产的突出问题。本项目系统研究了玉米中两个受二氧化硫胁迫响应的基因：亚硫酸氧化酶基因ZmSO和还原酶基因ZmSR，经过3年的努力，圆满完成了项目的既定目标，初步阐明了ZmSO和ZmSR参与调控玉米对SO2胁迫抗性反应的分子机理。主要结果如下：.1）在原核表达系统中表达并纯化了ZmSO和ZmSR蛋白，并研究了它们的生化特性。ZmSO对底物亚硫酸盐具有较高的氧化活性（Km为21.4 µM，Vmax为42.5 µM min-1）；ZmSR对亚硫酸盐也具有较高的还原活性（Km为5.32 µM，Vmax值为10.84 µM min-1）。.2）在拟南芥敲除突变体atso中研究了ZmSO、ZmSR过表达株系对SO2胁迫的响应。与atso相比，ZmSO、ZmSR过表达株系伤害较轻，表明SO和SR能互补突变体的表型，显著提高了对SO2的抗性。体内SO32-含量测定表明，atso植株体内积累的最高，其次是ZmSR和WT株系，最少的是ZmSO。这暗示了SO2胁迫下，植株主要以SO的SO32-氧化途径为主进行解毒。过表达ZmSO的转基因烟草株系对亚硫酸盐表现出较强的抗性；而且，在氧化解毒SO32-过程中，ZmSO能减轻因SO32-对CAT的抑制效应，以利于CAT正常行使功能，消除活性氧对植物造成的氧化胁迫。.3）利用病毒载体（BSMV）介导的玉米基因沉默 (VIGS)技术，在玉米体内进一步验证ZmSO和ZmSR对SO2胁迫的抗性反应机制。发现经5 mM Na2SO3溶液中处理12 h后，与对照玉米株系相比，BSMV:SOas和BSMV:SRas的株系，叶片都表现出明显的伤害症状，尤其是SO-VIGS株系，叶片受伤程度比SR-VIGS和CK严重的多，而对照株系伤害较轻； VIGS株系植株体内积累了较多的亚硫酸盐，尤其是SO-VIGS株系，体内含量比对照组高出8倍。这些结果表明SO和SR在玉米解毒SO32-过程中起着不可缺少的作用。而且，SO的解毒作用比SR更重要一些。