泌盐盐生植物花花柴叶片盐腺泌盐机制及其分子基础研究

One of the effective strategies for adaptation of recretohalophyte Karelinia caspica to saline environments is that exclude excess Na+ out of plants via the specialized salt-secreting structure (salt gland) in leaf to avoid salt injury, thus enhancing its salt tolerance. However, the salt-secreting molecular mechanism of leaf salt gland is how to exclude Na+ from K. caspica remain unclear. It has been demonstrated that plasma membrane Na+/H+ antiporter (SOS1) mediated Na+ efflux might play important role in secreting salt of salt gland in recretohalophyte. In view of this, we cloned KcSOS1 from K. caspica; the transcript abundances of KcSOS1 in different tissues were quantificationally analyzed by qRT-PCR technique under salt stress, and overexpression of KcSOS1 into atsos1 of Arabidopsis mutant would rescue its salt tolerance, which confirmed the KcSOS1 had the function of Na+ efflux; the changes of K+, Na+ concentrations in different tissues, Na+ secretion rate- and density in salt gland was investigated after gene silencing of KcSOS1 using RNA interference technique, which elucidated the role of KcSOS1-mediated Na+ efflux in secreting salt of salt gland in K. caspica. This would provide the scientific theory evidence for restoration and reconstruction of ecological vegetation in salt wastelands.

泌盐盐生植物花花柴适应盐碱环境的有效策略是通过其叶表面特殊的泌盐结构盐腺，将体内过多的Na+排出体外而避免盐害，从而增强了其耐盐性。然而，花花柴叶片盐腺是如何将Na+排出体外的泌盐分子机制仍不清楚。研究表明质膜Na+/H+逆向转运蛋白（SOS1）介导的Na+ 外排可能在泌盐植物叶片盐腺泌盐过程中起重要的作用。鉴于此，本项目拟以花花柴为材料，克隆其KcSOS1，利用qRT-PCR技术对盐胁迫下各组织中KcSOS1的转录丰度进行定量分析，并将KcSOS1导入拟南芥突变体atsos1中恢复其耐盐性，以明确KcSOS1具有Na+外排功能；采用RNA干扰技术沉默KcSOS1的表达，分析RNA干扰转化植株各组织中Na+、K+浓度以及叶片盐腺Na+分泌速率和盐腺密度的变化规律，以解析KcSOS1在盐胁迫下介导的Na+外排在花花柴叶片盐腺泌盐中作用机制，这将为盐荒地植被恢复和重建提供重要的科学理论依据。

泌盐植物花花柴(Karelinia caspia)是我国西北荒漠草原家畜的主要饲用牧草，前期研究发现叶片盐腺泌盐是花花柴适应盐碱生境的主要耐盐策略，业已成为土壤盐碱地改良的先锋植物。然而，花花柴叶片盐腺泌盐分子基础尚不清楚。针对这一问题，本项目解析了花花柴泌盐分子机理，取得了以下主要进展和成果：(1) 从花花柴中克隆了质膜Na+/H+转运蛋白基因KcSOS1，发现该基因受盐胁迫的诱导和调节。(2)亚细胞定位显示KcSOS1定位于质膜。(3)在拟南芥突变体atsos1中超表达KcSOS1，恢复了atsos1的耐盐性，表明KcSOS1具有Na+外排功能。(4) 构建了KcSOS1的RNA干扰载体转入花花柴，成功获得了KcSOS1-RNAi沉默株系。(5) 发现与野生型相比，高盐(200 mM NaCl) 胁迫下，KcSOS1-RNAi株系生长显著受到抑制，其叶片盐腺周围的盐晶体数量明显减少，导致叶片Na+分泌速率降低，说明KcSOS1在其盐腺泌盐中起重要作用。(6) 进一步发现，与野生型相比，高盐胁迫下显著增加了KcSOS1-RNAi株系根部Na+ 净吸收速率，更多的Na+被滞留在根部，而根木质部汁液Na+浓度却显著下降，致使地上部Na+浓度降低；KcSOS1-RNAi株系在高盐胁迫下根部K+净吸收速率和根木质部汁液K+浓度均急剧降低，造成K+在转基因株系地上部和根部的浓度及分配比例也显著下降；可见，KcSOS1介导Na+装载进入木质部参与Na+长距离运输，同时也影响K+的转运与积累。(7) 通过表达谱分析发现高盐胁迫下，KcSOS1-RNAi株系各组织中Na+转运蛋白以及K+通道蛋白编码基因的表达水平显著低于野生型植株。综上所述，KcSOS1不仅参与盐腺泌盐过程，而且还间接调节Na+转运蛋白基因以及K+通道基因的表达，进而影响植株体内Na+、K+转运系统及空间分配比例，以维持植株Na+/K+稳态平衡，从而增强植株的耐盐性。本项目发表SCI论文2篇、中文核心论文 1篇；授权实用新型专利1项，申请国家发明专利1项。