水分胁迫下细胞膜水通道蛋白对黄瓜根系水分吸收和运输调控机制研究

植物细胞膜水通道蛋白能使水分跨越细胞膜快速地进出细胞， 暗示了其在植物根系水分吸收和运输中的作用举足轻重。 然而由于植物根组织结构精细而复杂， 揭示水通道蛋白对根系水分吸收和运输的作用及其调控机制是个具有挑战性的课题。 本项目将以水分胁迫下的黄瓜幼苗为实验材料， 应用压力探针技术测定根系不同组织区域和不同类型细胞水导率的变化， 结合水通道蛋白基因的表达图谱和定位分析， 确定黄瓜根系水通道蛋白功能基因。 进而通过RNA干扰技术抑制或降低基因的表达， 研究基因沉默突变体根系水分吸收和运输（水导率）的变化。 此外还将探讨水分胁迫造成水通道蛋白翻译后修饰（磷酸化等）的变化对根系水分吸收和运输的影响。 最后本项目将整合分子， 细胞， 组织和器官不同层次水平的研究结果，力图阐明和揭示水分胁迫下植物根系水分吸收和运输的规律以及水通道蛋白的调控机制。

植物体内水分运输和平衡时刻遭受不断变化环境因素的影响。大量研究表明逆境胁迫抑制了水通道蛋白介导的植物水分运输，而与水分传导密切相关的水通道蛋白因不同亚型以及不同研究物种表现差异的响应，因此环境胁迫下水通道蛋白在何种程度以及怎样调节植物水分的传导仍然需要更多的研究。本项目以黄瓜幼苗为实验材料，在克隆得到细胞质膜水通道蛋白（CsPIPs）基因cDNA全长序列的基础上，分别研究了以聚乙二醇（Polyethyleneglycol, PEG，140 mM）诱导的渗透胁迫和同等渗透程度的氯化钠胁迫（Sodium chloride, NaCl，70 mM）处理2h，24h以及恢复实验后，利用压力室（Pressure Chamber）和细胞压力探针（Cell Pressure Probe）技术测定了黄瓜幼苗在器官水平（根系和叶片）和细胞水平上水分传导；同时相应的分析了CsPIPs水通道蛋白在转录水平和蛋白水平表达，试图阐明黄瓜水通道蛋白基因对两种胁迫下黄瓜幼苗水分关系的不同调节机制。本项目研究发现渗透胁迫和盐胁迫处理2h后黄瓜根系和叶片脯氨酸含量，细胞汁液渗透势无明显变化；而叶片水势，气孔导度，器官（根系，叶片）水分传导率和根皮层细胞水分传导率显著降低。黄瓜根系CsPIPs在转录水平和蛋白水平均无显著变化；在叶片中CsPIP1;1，CsPIP2;1，CsPIP2;3表达被诱导，CsPIP1;2和CsPIP2;4表达被抑制，而CsPIP1;3, CsPIP2;2, CsPIP2;5, CsPIP2;6和CsPIP2;7表达无明显变化。渗透胁迫和盐胁迫处理24h后黄瓜根系和叶片脯氨酸含量显著增加，细胞汁液渗透势显著降低，叶片水势则部分恢复。渗透胁迫下根系水分传导持续降低，而盐胁迫下根系水分传导部分恢复；与之相应，渗透胁迫下CsPIP基因在转录水平和蛋白水平表达下降，而在盐胁迫下表达上升；两种胁迫处理下叶片水分传导都显著降低，同时叶片中表达量最高的两个基因CsPIP1;2和CsPIP2;4。24h胁迫处理恢复实验后，两种胁迫下植株水分生理参数以及水通道蛋白表达都恢复到对照水平，表明黄瓜幼苗没有受到严重的胁迫。