NDH复合体介导的环式电子流在作物抗盐中的作用

近年来环绕光合作用中心Ⅰ（PSⅠ）环式电子流（CEF1）的功能引起了广泛的关注，其中NDH复合体介导的CEF1途径可能在植物遭受环境胁迫时发挥重要作用，可有效提高植物对多种逆境的抗性。本研究利用已获得的独特材料，已克隆到的11个NDH亚基基因，通过盐胁迫下叶绿素荧光动力学、亚因表达和定位差异、酵母双杂交技术和超表达转基因等方法，研究CEF1变化动态和NDH各亚基的表达的关系，NDH与PSI超复合体的构成，目的在于系统地研究NDH复合体介导的CEF1功能和作用机制，探索作物抗盐新途径。这不仅对提高植物抗盐性，而且对抗其他非生物逆境、培育抗逆境的作物新品种，均有重要理论意义和应用前景。

为了明确NDH介导的环式电子流(CEF)在大豆抗盐中的作用，我们进行了研究。用150mM盐胁迫处理2d，抗性材料S111-9没有表现盐害症状，但其敏感材料Melrose表现出明显的叶缘失绿盐害症状。用ICP-MS及Na+荧光定量分析表明两者细胞中Na+的含量差异不明显，证实存在光合器官对盐耐性的差异。用作用光关闭后叶绿素荧光的瞬时上升和P700+的暗下再还原速率分别表示NDH活性和CEF速率，表明盐胁迫提高NDH活性，促进环式电子流，但这种效应抗性材料显著高于敏感材料。CEF抑制剂（TTFA）在抑制盐诱导的CEF上升的同时，抑制了盐诱导的叶片光下ATP的含量,表明CEF能引起光下ATP的合成。RT-PCR结果表明，抗性材料的ndhA、ndhB、ndhC和ndhH的表达水平较高，受盐胁迫诱导增加明显。类囊体膜蛋白分析及免疫金标记结果显示，盐胁迫显著诱导NDH-B和NDH-H蛋白在叶绿体中的定位，抗性材料增加明显多于敏感材料。Na+和液泡膜，Na+和叶绿体荧光共定位显示，抗性材料Na+主要位于液泡内，而敏感材料明显地进入叶绿体。Na+进入液泡与ATP酶活性提高和Na+、K+和Ca2+转运相关的基因，如CBL4，CIPK24，NHX；AKT、KAT2、KEA和SOS1等的表达变化有关。研究结果还表明，抗性材料Pn下降少，CEF上升多。盐诱导的pn下降与其诱导的叶绿体突起（CP）和Rubisco 包含体（RCB）的快速形成，进入液泡降解这一新机制有关。结合盐胁迫引起敏感材料叶片H2O2大量积累，我们提出了CEF介导的光合器官耐盐新机制。盐胁迫下调碳同化和线性电子流，启动环式电子流和氧化胁迫。一方面碳同化的下降，导致Rubisco包含体形成和进入液泡的快速分解，加速氧化胁迫使光合器官受损。另一方面环式电子流形成额外ATP，并启动相关Na+进入液泡基因的表达，Na+进入液泡，减少对光合器官的损伤。此外，大田试验表明，抗性材料在盐地中的Pn,CEF及籽粒产量均显著高于敏感材料，且各项指标下降幅度少。两个超表达大豆NDHB转基因水稻T3表现更高的单株种子产量，提高了抗盐性。同样表现出盐胁迫下Pn下降少，CEF和P700+的暗下再还原速率加快，证实大豆ndhB基因在光合器官耐盐性中具重要作用，这可为利用ndhB基因提供了理论依据和种质基础。