StvacINV1负调控马铃薯的耐旱性.pdf
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1、作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2023,49(11):30073016 http:/zwxb.chinacrops.org/ISSN 0496-3490;CN 11-1809/S;CODEN TSHPA9 E-mail: 本研究由国家自然科学基金项目(31860397,31360296),旱区作物逆境生物学国家重点实验室开放课题项目(CSBAAKF2018006)和甘肃省自然科学基金重点项目(22JR5RA228)资助。This study was supported by the National Natural Science Foundation of Chin
2、a(31860397,31360296),the Open Project of the State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas(CSBAAKF2018006),and the Key Program of Natural Science Foundation of Gansu Province(22JR5RA228).*通信作者(Corresponding author):巩慧玲,E-mail: Received(收稿日期):2023-01-18;Accepted(接受日期):2023-04-17;Publishe
3、d online(网络出版日期):2023-05-05.URL:https:/ This is an open access article under the CC BY-NC-ND license(http:/creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).DOI:10.3724/SP.J.1006.2023.34015 StvacINV1 负调控马铃薯的耐旱性 巩慧玲1,*林红霞1 任小丽1 李 彤1 王晨霞1 白江平2,3 1兰州理工大学生命科学与工程学院,甘肃兰州 730050;2甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点
4、实验室,甘肃兰州 730070;3甘肃农业大学农学院,甘肃兰州 730070 摘 要:植物液泡酸性转化酶不可逆的催化蔗糖转化为葡萄糖和果糖,在植物的生长和发育及其逆境适应中扮演重要的角色。马铃薯液泡转化酶基因 StvacINV1 参与调控薯块的糖化,但其是否参与对干旱胁迫的调控尚不清楚。本研究以马铃薯品种Atlantic和Russet Burbank的 StvacINV1 RNA 干扰表达的转基因株系及其野生型为材料,采用停止浇水进行自然干旱处理,研究 StvacINV1 对马铃薯植株耐旱性的调控机制。结果表明干旱胁迫引起马铃薯叶片StvacINV1 的表达量及其液泡酸性转化酶活性显著降低;与
5、野生型相比,干旱胁迫下 StvacINV1 干扰效率高的转基因株系植株不易失水萎蔫、离体叶片的失水率低,MDA 含量低且叶片的相对水分含量高,由此表明 StvacINV1 干扰效率高的转基因株系的耐旱性高于野生型,即 StvacINV1 负调控马铃薯的耐旱性;进一步的分析表明,干旱胁迫下StvacINV1 干扰效率高的转基因株系的气孔开度和气孔导度显著低于野生型,水分利用率显著高于野生型,因此推测StvacINV1 可能通过介导气孔的关闭来调节马铃薯植株的耐旱性;干旱胁迫下 StvacINV1 干扰株系的蔗糖含量显著高于野生型,且外源高浓度蔗糖处理可诱导气孔的关闭,因此推测 StvacINV1
6、 可能通过其底物蔗糖参与调控气孔的关闭;外源 ABA 诱导的气孔关闭过程中,StvacINV1 干扰株系比野生型更敏感。综上所述,干旱胁迫下 StvacINV1 通过介导气孔的关闭负调控马铃薯植株的耐旱性,StvacINV1 可能通过其所催化的底物蔗糖参与调控气孔的关闭,StvacINV1 也参与 ABA 介导的气孔关闭。本研究为选育既耐糖化(块茎)又耐干旱的马铃薯品种提供理论依据。关键词:马铃薯;液泡酸性转化酶;耐旱性;气孔关闭 StvacINV1 negatively regulates drought tolerance in potato GONG Hui-Ling1,*,LIN Ho
7、ng-Xia1,REN Xiao-Li1,LI Tong1,WANG Chen-Xia1,and BAI Jiang-Ping2,3 1 School of Life Sciences and Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China;2 Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Science/Gansu Key Laboratory of Crop Improvement and Germplasm Enhancement,Lanzh
8、ou 730070,Gansu,China;3 College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,Gansu,China Abstract:Plant vacuolar acid invertase catalyses irreversible hydrolysis of sucrose into glucose and fructose,which plays a vital role in plant growth,development,and abiotic stress adaption.The vacu
9、olar acid invertase gene StvacINV1 in potato(Solanum tuberosum L.)are involved in regulating cold-induced sweetening in tubers,however the physiological role of StvacINV1 during adaptation to drought stress conditions is not yet fully understood.To investigate the mechanism of StvacINV1 regulating d
10、rought toleration under natural drought stress(water was withheld),this experiment was conducted with potato cultivars Atlantic,Russet Burbank,and their StvacINV1-RNAi transgenic lines.The results showed that drought stress strongly reduced mRNA abundance of StvacINV1 and vacuolar acid invertase act
11、ivity in the leaves of the wild-type plants and StvacINV1-RNAi transgenic lines.Compared with the wild type,the transgenic lines with high interference efficiency of StvacINV1-RNAi were less prone to slower wilting,lower water loss,lower MDA content,and higher relative water content in leaves under
12、drought stress,which 3008 作 物 学 报 第 49 卷 indicated that the transgenic strains with high interference efficiency of StvacINV1 had higher drought tolerance than wild type.StvaclNV1 regulated negatively drought tolerance of potao.Further analysis showed that under drought stress,stomatal aperture and
13、stomatal conductance in highly interfered StvacINV1-RNAi transgenic lines were significantly lower than wild type,whereas water use efficiency was significantly higher,which demonstrated StvacINV1 might regulate the drought tolerance of potato plants by stomatal movement.Sucrose content in highly in
14、terfered StvacINV1-RNAi transgenic lines was significantly higher than wild type under drought stress,meanwhile the exogenous high concentration sucrose treatment can induce stomatal closure,which led us to speculate that StvacINV1 was involved in regulating stomatal closure through its catalytic su
15、bstrate sucrose.Compared with wild type,StvacINV1-RNAi transgenic lines were more sensitive during ABA-induced stomatal closure.In conclusion,StvacINV1 negatively regulated the drought tolerance by stomatal closure in potato plants,and StvacINV1 may be involved in regulating stomatal closure through
16、 its catalytic substrate sucrose,and StvacINV1 was involved in ABA-induced stomatal closure.This study provides a theoretical basis for breeding potato varieties resistant to both sweetening(tubers)and drought stress.Keywords:potato;vacuolar acid invertase;drought tolerance;stomatal closure 植物转化酶(in
17、vertase,INV,EC 3.2.1.26)是蔗糖代谢的关键酶,可以水解二糖中的-呋喃果糖苷键即不可逆的催化蔗糖分解为葡萄糖和果糖。根据转化酶的最适 pH、溶解性和亚细胞定位等差异,将转化酶分为酸性转化酶和中性/碱性转化酶 2 类,其中酸性转化酶可分为液泡酸性转化酶(vacuolar inver-tase,VIN)和细胞壁酸性转化酶(cell wall invertase,CWIN),而中性/碱性转化酶一般存在于细胞质、线粒体或质体中1。不同转化酶基因的表达具有组织器官和发育时期的特异性,还受低氧、糖、激素、生物和非生物胁迫等多种信号的转录水平的表达调控2,此外,酸性转化酶活性还受内源蛋白
18、抑制因子(proteinaceous inhibitor,INH)的翻译后水平的调控3。植物液泡酸性转化酶在催化蔗糖代谢的同时也参与了生长发育的调控,例如影响拟南芥植株的碳代谢4和根的延长5,参与棉花纤维的延长和种子发育的调控以及棉花的花器官建成以及雌蕊和雄蕊的育性5-6,参与番茄果实成熟7。此外,研究发现,玉米受干旱胁迫时,子房中的液泡酸性转化酶基因Ivr2 的表达水平下降8;与此相反,玉米叶片在中等程度的水分胁迫下会出现早期 VIN 活性增强的现象,并且伴随有 Ivr2 的表达上调和己糖的积累9。大多数马铃薯栽培品种的块茎在低温贮藏下 VIN 基因StvacINV1 的表达量及其酶活性均显
19、著增加10。马铃薯(Solanum tuberosum L.)是仅次于水稻、小麦和玉米的世界第四大粮食作物,属典型的温带气候作物,其对水分的亏缺十分敏感,水分短缺严重影响马铃薯的产量和品质11-13。马铃薯加工产品中油炸食品是最主要的部分,大约占马铃薯加工产业的 70%以上14。马铃薯炸片炸条等油炸食品的色泽与块茎还原糖(葡萄糖和果糖)含量密切相关,高温油炸过程中,还原糖与游离氨基酸发生非酶促褐变反应,即“美拉德反应”,造成高糖组织的褐化,并伴随产生潜在致癌物质丙烯酰胺15-17。因此,控制马铃薯块茎的还原糖含量是保证马铃薯炸片炸条的品质的重要途径。马铃薯块茎还原糖的异常积累一般受生长条件、贮
20、藏条件和遗传因素等的影响18。马铃薯块茎在低温贮藏期间,大多数栽培品种会发生还原糖积累即低温糖化10,15-17;马铃薯块茎膨大期的短期水分亏缺导致薯块的茎端还原糖含量增加即块茎末端糖化19,中度干旱和高温共同胁迫导致块茎末端糖化20;块茎在长期贮藏期间也会发生还原糖及其他可溶性糖的积累即衰老糖化21;以上这些低温糖化、末端糖化和衰老糖化均会引起块茎油炸产品的褐化和品质降低。研究发现,通过 RNA 干扰技术下调马铃薯 VIN 基因 StvacINV1 的表达而降低液泡酸性转化酶活性,转基因马铃薯块茎表现为耐受低温糖化15,22,同时,块茎末端糖化程度降低23且衰老糖化现象也被延迟24。由此表明
21、,StvacINV1是调控马铃薯块茎糖化现象的关键基因。此外,将马铃薯的酸性转化酶抑制蛋白基因 StInvInh2 或烟草酸性转化酶的抑制蛋白基因 Nt-inhh 在马铃薯中超表达,转基因马铃薯块茎酸性转化酶的活性降低,低温糖化现象受到显著抑制,炸片褐化现象显著低于野生型16,25-26;而将烟草酸性转化酶的抑制蛋白基因 Nt-inhh 在拟南芥液泡中超表达,导致液泡酸性转化酶活性降低,同时发现转基因拟南芥植株的叶片气孔开度降低,耐旱性增强27。同时,Yang 等28也发现,甘薯转化酶的抑制蛋白基因 IbINH 被超表达后,转基因甘薯植株耐旱性显著提高,而 IbINH被下调表达后,转基因甘薯耐
22、旱性降低。由此表明,植物酸性转化酶活性可能与植株的耐旱性相关。因此,我们推测 StvacINV1 除了参与调控马铃薯块茎的低温糖化、末端糖化和衰老糖化外,可能也参与调控马铃薯植株的耐旱性。马铃薯品种Atlantic的块茎呈卵圆形,生产中被用于加工薯片,而品种第11期 巩慧玲等:StvacINV1 负调控马铃薯的耐旱性 3009 Russet Burbank的块茎呈长圆型,生产上被用于加工薯条。为了探究 StvacINV1 在马铃薯植株的耐旱性中的功能,本研究以 StvacINV1 下调表达的转基因马铃薯品种Atlantic和Russet Burbank为材料,首先对其进行耐旱性评价,然后探讨
23、StvacINV1 调控马铃薯耐旱性的机制,从而为培育既耐糖化又耐干旱的马铃薯品种的选育提供理论依据。1 材料与方法 1.1 供试材料与培养 试验材料:马铃薯四倍体栽培品种Atlantic及其 StvacINV1 RNA 干扰株系 a-1、a-2 和 a-3,以及栽培品种Russet Burbank及其 StvacINV1 RNA 干扰株系 b-11、b-12 和 b-13,均由美国密歇根州立大学Jiming Jiang 教授实验室提供。培养条件:马铃薯组培苗在 MS 培养基中进行继代增殖培养,培养条件为光周期 16 h d1、光照强度 50 mol m2 s1、温度 232;待组培苗生长 4
24、周后,移栽至装有蛭石的花盆中,置于温室中培养,24 d 浇一次水,10 d 浇一次 Hoagland 营养液,生长50 d 后供试验使用。1.2 材料处理 1.2.1 干旱胁迫处理 马铃薯组培苗移栽至温室生长 50 d 后,停止浇水开始干旱胁迫处理,对照组正常浇水,观察植株表型变化并照相记录,Atlantic干旱胁迫 7 d 后,Russet Burbank干旱胁迫 10 d,在光照开始 4 h 后取倒 35叶片,直接测定生理生化指标,或液氮中速冻后保存在80冰箱中备用。1.2.2 外源蔗糖处理 将生长 3 周的马铃薯试管苗转至黑暗条件下进行暗饥饿处理(旨在除去保卫细胞中存在的储藏状态的糖类)
25、40 h,剪取暗处理后的叶片,在光照条件下于 MES-KCl 缓冲液漂浮处理2 h 使气孔充分打开,然后将叶片转移至 0.1、1、10、100 mmol L1的蔗糖溶液中,经过 2 h 的孵化后测定气孔开度29。1.2.3 外源 ABA 处理 剪取马铃薯移栽苗的倒35 叶片,置于盛有 MES-KCl 缓冲液的培养皿中,25光照 2 h 使气孔充分打开,然后将叶片转移至10 mol L1 ABA 中,分别在 0.5、1 和 2 h 后撕下叶片下表皮并制片,测量气孔开度29。1.3 测定指标与方法 1.3.1 离体叶片脱水率的测定 剪取温室中生长50 d 的马铃薯移栽苗叶片,立即称重并记录,之后放
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