本技术涉及利用StSDD1基因调控马铃薯气孔发育,实现降低气孔密度并提升植物抗氧化能力,从而增强马铃薯的耐旱性。通过分析转基因马铃薯植株的气孔密度和抗旱性,揭示了StSDD1基因通过调节气孔密度来响应干旱胁迫的分子机制。该发现为马铃薯的分子育种提供了潜在的候选基因,有助于定向改良马铃薯品种,提高其抗旱性能。
背景技术
在高等植物的生长发育过程中,其表面会出现特殊的细胞结构——气孔。气孔作为叶片与大气间交流的微型通道,依赖保卫细胞(GC)间隙的变化精准调控气体及水分循环。气孔复合体是高等植物表皮上的一种特化结构,能精细调节植物蒸腾、光合和呼吸作用,气孔还通过调节蒸腾速率来控制叶片温度并防止病原菌入侵。据资料记载,气孔大约在4亿年以前就已经出现,因此使植物能在陆地上正常的生长生存。植物可以通过调节气孔密度,气孔开度等平衡水分散失。在演化长河中,各式各样的植物开始出现,并形成了不同的气孔。其中最典型的,以双子叶植物—拟南芥为例,其气孔分布呈现排列随机的特点,并由一对肾形的保卫细胞组成;而单子叶植物—水稻中气孔分布则呈现为高度有序分布,一般由一对哑铃型的保卫细胞和两侧的一对副卫细胞构成。气孔为了提高与邻近细胞离子交换率,形成了其特有的气孔空间分布模式。植物气孔发育过程受到多种基因的调控,包括转录因子、酶和多种功能基因共同调控,并且受到环境条件的影响。在自然界中,气孔的张开和闭合无法适应持续变化的环境,这就需要通过改变气孔的发育模式来调节表皮气孔密度。因此,通过调节气孔密度调节植物抗旱性已成为研究植物抗性的理想方案之一。
SDD1基因是在拟南芥中第一次被发现的,是气孔发育的关键成分。SDD1属于枯草杆菌蛋白酶家族,在水稻中有63个成员组成,在番茄中有15个成员组成,在拟南芥中由56个成员组成,且是其成员中仅有的一种能引起表型变化的基因。SDD1有三大功能:首先,在未到达气孔形成路径前,其可扰乱原表皮细胞数目;其次,可以保证MMC经过三个非等效的分裂才能形成气孔;第三,它能确保邻近细胞(NC)所形成的气孔排布到位,防止卫星细胞(SC)和MMC之间的连接。之前的研究表明,SDD1基因缺失导致拟南芥气孔密度提高2-4倍,反之,野生型中SDD1过量表达则使气孔密度减少2-4倍;从传统中草药菘蓝(IiSDD1)中分离出的SDD1与AtSDD1具有高度同源性。在四倍体菘蓝的发育过程中,经ABA、GA、盐胁迫、黑暗、寒冷或干旱处理后,IiSDD1的表达量下调,并导致植物气孔数量的增加。同时,我们也发现过表达ZmSDD1玉米,转基因植株的气孔数量会减少大约30%,与野生型相比,过表达ZmSDD1的玉米在干旱胁迫后的再次复水的存活率明显提高。然而,支持这些分子调控机制的实验案例在马铃薯中仍不清楚。
马铃薯是重要的粮食作物,其抗逆能力较弱,对水分和环境要求偏高。干旱胁迫是影响马铃薯产量和品质的主要因素之一。SDD1是气孔发育的负性调控因子,其可以负向调控气孔密度,SDD1功能缺失会导致植物叶片密度增高。由于其对气孔密度的明显调控作用,其已被认为是提升植物WUE的潜在基因,在提高植物耐旱性发挥重要作用。目前,SDD1调控植物的耐旱性已在拟南芥、番茄、玉米、菘蓝等植物中得到解析,但在马铃薯中尚未见到详细报道。本研究以马铃薯品种“Atlantic”为实验材料,克隆了马铃薯StSDD1基因,通过其进行生物信息学分析、亚细胞定位分析和遗传转化等研究,对转基因植株进行气孔密度及抗旱性分析,解析StSDD1基因通过调节气孔密度调控马铃薯响应干旱胁迫的分子机理,为有目的地利用该基因进行马铃薯分子育种提供候选基因。
实现思路