水孔蛋白在硅诱导番茄抗盐、抗旱中的作用机制研究

Silicon can increase the tolerance of plants to various environmental stresses. However, the mechanisms are still unclear. Previous research by us and other researchers has indicated that silicon can regulate water uptake by roots, improve water status of plants, and increase plant tolerance under salt and drought stress conditions. Aquaporin (AQP) is the main pathway of root water uptake in plants. However, the mechanisms for the involvement of aquaporin in silicon-induced salt and drought tolerance of plants are still not clear, nor have these been reported. Based on our previous research, the following work will be conducted in this project using tomato cultivars with different tolerance to salt and drought stresses: (1) clarifying the roles of AQPs in the regulation of root water uptake of tomato under salt and drought stress by using pressure probe, real-time PCR，and routine plant physiological techniques, and determining the key AQP; (2) verifying the function of AQPs and the regulative role of silicon in root water uptake and transport by using RNA interference (RNAi) and overexpression transgenic plants of silicon transporter gene Lsi-1, and RNAi transgenic plants of the key AQP; (3) studying the metabolic pathway and key genes in the AQP regulation by silicon using gene chip. Through the above research, the mechanisms for the involvement of AQPs in silicon-induced salt and drought tolerance in tomato plants will be clarified. This study will provide theoretical basis for silicon application in vegetable production.

硅能提高植物对各种胁迫的抗性，但其作用机理尚不清楚。前人及我们前期研究表明，硅可调控盐胁迫和干旱下植物根系的水分吸收、改善植物水分状况、提高植物的抗性。水孔蛋白(aquaporin, AQP)是根系水分吸收的主要途径，但对其在硅诱导植物抗盐抗旱中的作用机理尚不清楚，国内外尚无报道。本项目拟在前期工作基础上，以不同抗性番茄品种为材料，应用压力探针、real-time PCR等技术，阐明盐胁迫和干旱下AQP在硅调控番茄水分吸收运输中的作用、确定起关键作用的AQP；克隆硅转运体Lsi-1和关键AQP基因，构建硅转运体基因的RNA干扰与过表达、及关键AQP的RNA干扰遗传转化体系，获得转基因株系，研究AQP在水分吸收运输中的功能及硅的调控；利用基因芯片分析硅调控AQP所涉及的代谢途径和关键因子。通过以上研究，阐明AQP在硅诱导番茄抗盐抗旱中的作用机制。此研究将为硅肥在蔬菜生产中的应用提供理论依据。

土壤干旱和盐渍化已成为限制农业发展的两大主要因素。番茄是重要的蔬菜作物之一，通过营养学途径是改善其抗盐抗旱能力、提高水分利用率的一条重要途径。硅是发展绿色生态农业的高效优质肥料，施硅能提高植物对干旱、盐渍化等各种胁迫的抗性。水孔蛋白是根系水分吸收的主要途径，但对其在硅诱导植物抗盐抗旱中的作用尚不清楚。本项目研究表明，硅可降低干旱和盐胁迫下番茄植物的氧化损伤、提高其抗逆性。在干旱和盐胁迫下，硅处理可提高番茄根系的水力学导度、增强其吸水能力。利用质外体示踪剂研究表明，硅促进番茄的根系水分吸收与蒸腾支流无关。硅对番茄根系吸收能力的促进与质膜水孔蛋白、特别是主要成员SlPIP1;3、SlPIP1;5和SlPIP2;6的表达上调有关。通过水孔蛋白抑制剂和恢复剂试验表明，水孔蛋白在硅促进根系水分吸收和转运中起着重要的作用。克隆了番茄水孔蛋白基因家族的硅转运体基因SlLsi1，该基因在根中的表达水平高于叶片，且其表达具有昼夜节律性；硅处理对该基因表达的影响与基因型有关：在部分番茄基因型中下调、而对部分基因型没有影响。利用爪蟾卵母细胞表达系统证明了SlLsi1是具有对硅的内向和外向转运活性的通道蛋白，该蛋白无尿素和甘油转运活性。SlLsi1在番茄中过表达及在水稻硅吸收突变体中异源表达均可促进转基因植株的硅积累。亚细胞定位显示，SlLsi1在质膜上表达；在根中，该基因只在番茄根尖的外皮层上表达。该基因表达的组织与空间分布特征可能与番茄的硅吸收较低有关。利用Solexa RNA-Seq对番茄叶片和根系测序分析表明，干旱下硅调控的差异表达基因不仅涉及水通道活性在内的胁迫应答，还包括防御反应、代谢过程、光合作用、信号转导和转录后调控等生理过程。结果表明，胁迫下硅处理后番茄幼苗可通过诱导多个代谢途径的协调作用来适应外界环境的变化。对光合作用和防御相关基因的表达分析验证了测序结果和生理表型。本研究为今后进一步阐明Si抗逆的分子机制、抗逆相关基因的克隆和功能研究及提高植物抗逆性奠定了基础。