小麦TaCIPK10调控水通道蛋白TaTIP4;1响应干旱和盐胁迫的分子机制研究

In plants, there are many genes involving in response to drought and salt stresses, however, the molecular mechanisms need further exploration. After isolating a TaCIPK10 gene from wheat, the gene were overexpressed in Arabidopsis and wheat respectively, the overexpressing plants showed more tolerance under drought and salt stresses. Meanwhile, the microarray data analysis finds that there are 81 probes having highly similar expressing mode to TaCIPK10, one of them is annotated as aquaporin TIP4;1. Expression pattern analysis and phenotype analysis showed that TaCIPK10 and TaTIP4;1 could respond to the same stress treatments, indicating that TaCIPK10 might interact with TIP4;1 in respond to drought and salt treatments. This work is based on the previous study, the further studies are to determine the interaction between TaCIPK10 and TIP4;1, the sites of TaTIP4; 1 phosphorylated by TaCIPK10 and the influence on mutations of phosphorylation sites of TIP4;1. Meanwhile, constructing the expression vector of TIP4;1 and transforming to model plants by transgenic technology in order to analysis the tolerances to drought and salt stresses and clarify the molecular mechanism of TaCIPK10 through regulating activation of TaTIP4;1. This work provides a theoretical foundation for cultivating resistant crops.

在植物体中，参与响应干旱和盐胁迫的基因多种多样，但有关分子机制方面的研究需要进一步的探索。从小麦中分离出TaCIPK10基因后，分别在拟南芥和小麦中过量表达。干旱和盐胁迫处理下，转基因植株均能存活，同时，基因芯片数据分析发现了81个与TaCIPK10高度相似表达模式的探针，其中一个被注释为水通道蛋白TIP4;1。表达模式分析与表型分析表明，TaCIPK10和TaTIP4;1能够响应相同的逆境处理，说明TaCIPK10与TIP4;1可能通过相互作用来响应干旱和盐胁迫的处理。本项目在前期研究基础上，进一步确定TaCIPK10与TIP4;1的相互作用关系、TaCIPK10磷酸化TaTIP4;1的位点，分析磷酸化位点的突变对TIP4;1功能的影响，构建TIP4;1表达载体，通过转基因技术，分析其在干旱和盐胁迫胁迫下的耐受性，进一步明确TaCIPK10通过调控TaTIP4;1参与抗旱和抗盐的分子机制

液泡膜水通道蛋白（TIPs）作为水通道蛋白重要的成员之一，在调控植物抵御水分胁迫和盐胁迫的过程中起着重要的作用。然而，在小麦中，水通道蛋白对胁迫反应的研究在很大程度上是未知的。在本研究中，我们从小麦中分离出TaTIP4;1基因，并转化到模式植物拟南芥和水稻中，结果发现，在干旱、盐胁迫和渗透胁迫下，超表达小麦TaTIP4;1的拟南芥和水稻转基因植株的种子萌发和幼苗生长明显增强。与野生型植物相比，拟南芥和水稻过表达植株提高了水分含量，减少了叶片水分损失，降低了钠离子、钠/钾比值、过氧化氢和丙二醛的水平，提高了过氧化氢酶和/或超氧化物歧化酶的活性，并增加了脯氨酸在干旱、盐分和渗透胁迫下的积累。此外，干旱响应基因的表达水平在脱水后明显升高，一些盐响应基因的转录在氯化钠处理下显著降低。同时，含有TaTIP4;1的酵母细胞对氯化钠和山梨醇的耐受性更强，其中，TaTIP4;1三种丝氨酸中的一种发生突变导致对这两种胁迫的耐受性降低。这些结果表明，TaTIP4;1在干旱、盐/渗透胁迫下，通过影响水分关系、活性氧平衡、钠离子和脯氨酸的积累，以及刺激拟南芥和水稻中胁迫响应基因的表达，对种子萌发和幼苗生长起到重要的积极调节作用，并且，磷酸化可以调节TaTIP4;1的活性。