干旱和盐胁迫下番茄水孔蛋白PIPs在维持植株整体水分平衡中的作用研究

Both soil drought and salinity caused serious influence on grain yield and quality of tomato. Maintaining the overall water balance is one of the important mechanisms of the plants in response to drought and salt stresses. Plant plasma membrane intrinsic proteins (PIPs) effectively mediate the transmembrane transport of water. Although much study has been reported on the function of PIPs in water absorption in root and transpiration water loss in leaves, it is not clear on the relationship between the regulation mechanism of different tomato PIP members in various plant tissues and plant resistance to various stresses. Also no study of PIPs on the overall water balance in response to various stresses had been reported. The tomato varieties with different resistance to stresses will be used as the materials and their water status of root and leaves will be determined. The function of water transport of PIPs will be analyzed by qPCR, Western blot analysis, Xenopus oocyte expression system and yeast expression system, from which the key PIPs will be determined. We will construct over-expression and RNAi vectors of key PIP gene, make transgenic tomato plants, analyze their phenotypic changes, water status, and PIPs expression under salt and drought stresses. This study analyzes the PIPs from the perspective of overall water balance of plants in response to osmotic stresses, and will provide some scientific basis on the functions of PIPs in plants under salt and drought stresses.

土壤干旱和高盐对番茄产量和品质造成严重影响，在干旱和盐胁迫下维持植株整体水分平衡是植物抗逆的重要机制之一。质膜水孔蛋白(PIPs)在水分跨膜运输中起重要作用。尽管PIPs在根系水分吸收和叶片蒸腾失水中的作用已有相关报导，但植物不同部位PIPs的表达调控与抗逆性的关系尚缺乏，从植物整体水分平衡维持角度对PIPs在植物抗逆中的作用的研究仍亟待阐明。本项目以不同抗性番茄种为材料，测定盐和干旱胁迫下植株根和叶的水分状况，利用qPCR、Western杂交、爪蟾卵母细胞和酵母表达系统分析不同PIPs基因的表达模式，确定关键PIP并鉴定其水分转运功能；克隆关键PIPs基因，构建载体、转化番茄并筛选候选基因超表达和沉默的转基因株系，分析干旱和盐胁迫下植株表型特征和水分状况，验证关键PIP在抗性番茄维持渗透胁迫下植株整体水分平衡中的作用。本研究的实施为全面解析PIPs蛋白在植物干旱和盐胁迫中的功能奠定基础。

土壤干旱和高盐对番茄产量和品质造成严重影响，在干旱和盐胁迫下维持植株整体水分平衡是植物抗逆的重要机制之一。质膜水孔蛋白(PIPs)在水分跨膜运输中起重要作用。尽管PIPs在根系水分吸收和叶片蒸腾失水中的作用已有相关报导，但不同番茄种PIPs的表达调控与抗逆性的关系尚缺乏，从植物整体水分平衡维持角度对PIPs在植物抗逆中的作用的研究仍亟待阐明。本项目以抗干旱和盐能力较强的野生种醋栗L03708和栽培种M82为实验材料。盐胁迫下M82的根、茎、叶干重和总干重，以及水势和根系水力学导度均显著下降，而L03708这些指标均没有显著地变化。此外，气体交换参数测定结果表明在盐胁迫下L03708仍能保持较M82更好的根系吸水能力和水分利用效率，更好地协同碳同化与水分散失之间的关系，L03708的耐盐性比M82强。盐胁迫处理后，PIP1s和PIP2s的表达在L03708和M82中呈现不同的表达模式。Western印迹检测表明，盐胁迫5d后，L03708的PIP1s含量略有增加，而M82的PIP1s含量略有减少；两个番茄种的PIP2s含量均显著下降。此外，通过检测盐胁迫对不同种番茄幼苗根系氧化损伤的影响我们发现，与M82相比，胁迫下L03708的质膜受损程度较轻，能更好地维持质膜完整性。以上结果表明，野生种番茄L03708抗氧化防御能力较强、膜氧化损伤较小是其在盐胁迫条件下得以维持水分平衡和耐盐能力强的生理基础，膜损伤可能通过影响水通道蛋白的表达或活性从而影响植物的水分代谢。我们克隆了番茄水孔蛋白基因SlPIP2;6，转化番茄并获得转基因植株。对转基因植株进行盐和干旱处理后，转基因番茄的株高、茎粗和叶片含水量都显著高于野生型。通过本项目的研究，明确了干旱和盐胁迫下植物的水分状况与水孔蛋白表达的相关性，验证了SlPIP2;6基因在植物干旱和盐胁迫下的水分吸收和运输中的作用，表明SlPIP2;6在维持番茄植株水分平衡中具有重要作用。本研究的实施将为全面解析PIPs蛋白在植物干旱和盐胁迫中的功能及其调控机制提供理论依据。