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甜菜碱合成的基因工程提高了转基因烟草光合作用对干旱胁迫的抗性

山东农业大学. 甜菜碱合成的基因工程提高了转基因烟草光合作用对干旱胁迫的抗性. 研 究 生 : 王贵平. 主要内容. 1 前言 2 材料与方法 3 结果与分析 4 讨论 5 结论. 前 言. 环境胁迫十分严峻 ( 全球约 20% 的耕地－盐渍化； 43% 属于干旱和半干旱 ) ，严重地制约作物的生长和产量。利用转基因等分子生物学手段培育抗逆性强的作物品种成为目前农业生物技术最前沿的研究领域之一。.

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甜菜碱合成的基因工程提高了转基因烟草光合作用对干旱胁迫的抗性

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Presentation Transcript

  1. 山东农业大学 甜菜碱合成的基因工程提高了转基因烟草光合作用对干旱胁迫的抗性 研 究 生 : 王贵平

  2. 主要内容 • 1 前言 • 2 材料与方法 • 3 结果与分析 • 4 讨论 • 5 结论

  3. 前 言 环境胁迫十分严峻(全球约20%的耕地－盐渍化；43%属于干旱和半干旱)，严重地制约作物的生长和产量。利用转基因等分子生物学手段培育抗逆性强的作物品种成为目前农业生物技术最前沿的研究领域之一。

  4. 在干旱、盐等环境胁迫下，植物形成各种相应的适应和保护机制，以适应不利的环境条件，其中最重要的策略是积累相容有机渗调物质（Compatible osmolytes）从而进行渗透调节作用。在研究过的150多种代谢物中，甜菜碱是最有效的渗调物质，是一种有特殊功效的相容性物质。甜菜碱不仅参与渗透调节,而且具有极为重要的“非渗透调节”功能。将甜菜碱合成的基因导入植物（或作物）以增强其抗旱等胁迫的能力，已成为近年来植物基因工程研究的热点.

  5. 光合作用是作物重要的代谢过程，是作物生长和产量形成的基础，逆境条件下作物光合作用的维持是其抗性的本质。而甜菜碱与光合作用关系的研究极少，现有的少数工作主要是离体实验。光合作用是作物重要的代谢过程，是作物生长和产量形成的基础，逆境条件下作物光合作用的维持是其抗性的本质。而甜菜碱与光合作用关系的研究极少，现有的少数工作主要是离体实验。

  6. 研究意义： 本文研究转BADH基因烟草光合作用对干旱胁迫的响应，旨在阐明甜菜碱在干旱逆境下对作物光合功能的维持和保护机制，意义在于揭示甜菜碱提高作物抗性的本质。

  7. 材料与方法 • 实验材料 转BADH基因烟草K326(烟草种子由中国科学院植物研究所梁峥研究员提供) 野生型烟草K326 • 实验方法（略）

  8. 结果与分析

  9. 图1 干旱胁迫对烟草叶片相对含水量（RWC）和水势（Ψw）的影响

  10. 图2 干旱胁迫对转基因烟草叶片甜菜碱含量的影响

  11. 0.2 0.15 Carotenoid 0.1 content(mg/gFW) T 0.05 WT B A 0 0 3 6 9 12 Days after drought stress(d) 图3 干旱胁迫对烟草植株叶片色素含量影响

  12. 图4 干旱胁迫对烟草植株叶片可溶性蛋白含量的影响

  13. A B 图5 干旱胁迫对烟草叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）胞间CO2浓度（Ci）的影响（处0、处3 、复1、复3 等分别表示处理第0、3天和复水第1、3天）

  14. 干旱胁迫对烟草叶片胞间CO2浓度（Ci）的影响

  15. 图6 干旱胁迫下烟草的表观量子效率(AQY)和羧化效率(CE)的变化

  16. 图7 干旱胁迫对烟草叶片放氧活性的影响

  17. 图8 干旱胁迫对烟草叶片最大光化学效率的影响

  18. 图9 干旱胁迫对烟草叶片实际光化学效率（ФPSII）的影响

  19. B A 图10 干旱胁迫对烟草叶片光化学猝灭（qP）和非光化学猝灭（qN）的影响

  20. 图11 干旱胁迫对烟草叶片SOD、POD、CAT、APX活性的影响

  21. 图12 干旱胁迫对烟草叶片内MDA含量的影响

  22. 图13 干旱胁迫对烟草叶片内可溶性糖和脯氨酸含量的影响

  23. 干旱胁迫对烟草叶片叶绿体超微结构的影响

  24. 5 1 3 2 4 6 图版I 干旱胁迫对转基因烟草（1，3，5）和野生型烟草（2，4，6）叶叶肉细胞超微结构(×2500)的影响

  25. 1 3 5 2 4 6 图版II 干旱胁迫对转基因烟草（1，3，5）和野生型烟草（2，4，6）叶叶绿体超微结构(×10000)的影响

  26. 1 5 3 4 6 2 图版III 干旱胁迫对转基因烟草（1，3，5）和野生型烟草（2，4，6）类囊体片层超微结构(×25000)的影响

  27. 2. PEG处理对烟草光合作用的影响 • 采用30％PEG－6000模拟干旱胁迫，结果与土壤干旱基本一致。

  28. 讨论 (1)干旱胁迫下转基因烟草叶片水分状况的改善 • 转BADH基因烟草叶片在干旱胁迫下能维持相对较高的水势和相对含水量(图1，图16).我们推测，干旱胁迫下，转BADH基因烟草维持水分状况可能与转BADH基因烟草体内合成的甜菜碱有关。干旱胁迫下，转基因烟草叶片水分状况的维持，可能是其维持较高光合能力以及抗旱性的基础。

  29. (2)干旱胁迫下转基因烟草叶片光合能力的维持 • 转BADH基因烟草在干旱胁迫下能维持相对较高的光合速率（图5，图17）。转基因烟草叶片水分关系的维持具有积极作用；转基因烟草叶片干旱胁迫下有较高的的气孔导度；因此我们推测转BADH基因烟草可能通过维持相对较高的气孔导度，从而维持较高的光合速率。

  30. （3）转基因烟草对干旱胁迫引起的光抑制的响应（3）转基因烟草对干旱胁迫引起的光抑制的响应 • 干旱胁迫下转基因烟草叶片具有较高的Fv/Fm和ФPSII，说明转基因烟草能维持光系统II（PSII）的功能,虽然甜菜碱不能直接清除活性氧（Smirnoff & Cumbes, 1989），但我们的研究发现，转基因烟草能维持干旱胁迫下叶片的部分抗氧化酶（主要是SOD和APX）的活性，减轻活性氧伤害。关于干旱胁迫下转基因烟草叶片的抗氧化酶活性如何得到提高，是BADH保护已合成的抗氧化酶不受水分胁迫的影响，还是BADH的合成促进这些酶的相关基因的表达还不清楚。

  31. 结论 • 1.干旱胁迫下，转BADH基因烟草叶绿素含量明显高于野生型烟草，BADH基因的导入提高了转基因烟草叶片的气孔导度。 • 2.干旱胁迫下转基因烟草叶片具有较高的抗氧化酶活性，能缓解干旱造成的氧化胁迫。

  32. 3. 转基因烟草不仅自身合成甜菜碱，还可促进其它相容性物质如脯氨酸和可溶性糖的积累，提高干旱胁迫下烟草叶片的渗透调节能力，改善叶片的水分状况。 • 4. 干旱胁迫下转基因烟草在一定程度上维持烟草叶片的叶绿体及类囊体片层结构，从而提高干旱胁迫下烟草的光合作用。

  33. 谢谢!

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