全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (5): 548–559, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00548
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收稿日期: 2013-09-26; 接受日期: 2014-05-04
基金项目: 国家自然科学基金(No.31071788)、“十二五”农村领域国家科技计划(No.2011AA10020605)、中央级公益性科研院所基本科研
业务费专项资金(No.ITBB140205)和现代农业产业技术体系建设专项资金(No.CARS-32)。
* 通讯作者。E-mail: 18689846976@163.com
香蕉MaASR1基因的抗干旱作用
苗红霞1, 王园1, 徐碧玉1, 刘菊华1, 贾彩红1, 张建斌1, 王卓1, 孙佩光2, 金志强1, 2*
1中国热带农业科学院热带生物技术研究所/农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室, 海口 571101
2中国热带农业科学院海口实验站/海南省香蕉遗传育种改良重点实验室, 海口 570102
摘要 ASR(ABA, stress, ripening induced protein)是一类响应植物干旱胁迫的关键转录因子, 在许多植物中已有报道, 然
而尚未见香蕉(Musa acuminata)中ASR与抗旱作用的相关研究。该实验从香蕉果实cDNA文库中筛选出1个ASR基因, 即
MaASR1(登录号为AY628102)。干旱胁迫下, 该基因在叶片中的表达量高于根部。将MaASR1转入拟南芥(Arabidopsis
thaliana), Southern检测确定了两株独立表达的转基因株系(命名为L14和L38)。表型观察发现, 此两转基因株系的叶片变小
且变厚; Northern和Western检测结果表明, MaASR1在L14和L38中表达。控水处理后, L14和L38的存活率及脯氨酸含量均
高于野生型。经干旱胁迫和外源ABA处理后, 对MaASR1转基因株系中ABA/胁迫响应基因的表达分析, 发现MaASR1可增
强转基因株系对ABA信号的敏感度, 但不能增强植株依赖于ABA途径的抗旱性。
关键词 香蕉, ASR基因, 拟南芥, 干旱胁迫, ABA
苗红霞, 王园, 徐碧玉, 刘菊华, 贾彩红, 张建斌, 王卓, 孙佩光, 金志强 (2014). 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用. 植物
学报 49, 548–559.
植物对渗透和干旱等水分胁迫存在两大类逆境
响应信号通路, 即ABA依赖途径和不依赖ABA途径
(Thomashow, 1999)。ASR(ABA, stress, ripening
induced protein)基因作为一类响应植物干旱胁迫的
关键转录因子, 在ABA依赖途径中, 其表达受ABA诱
导(Padmanabhan et al., 1997), 在不依赖ABA途径
中, 其表达不受ABA诱导(Fischer et al., 2011)。然而,
在干旱胁迫反应中, ASR基因也并非严格局限于依赖
或不依赖ABA途径(Joo et al., 2013)。
ASR对植物干旱胁迫的应答机制一直备受关注,
已有不少相关报道。Amitai-Zeigerson等(1995)首次
对番茄(Lycopersicon esculintum)果实LeAsr1的干旱
胁迫反应进行了研究, 他们用15%PEG-6000模拟干
旱诱导后, 发现LeAsr1基因在mRNA和蛋白水平上
均被大量诱导, 且ABA参与了其信号转导。此外, Vai-
dyanathan等(1999)发现, 水稻(Oryza sativa)中外源
ABA和甘露醇(非离子渗透胁迫剂, 不导致ABA增加)
均诱导OsAsr1上调表达, 说明OsAsr1既可通过不依
赖ABA途径, 也可通过ABA依赖途径来产生抗旱反
应。松树(Pinus taeda)幼苗期用ABA和干旱分别处理
后 , 发现ASR基因对干旱应答程度远远大于ABA
(Wang et al., 2003)。马铃薯(Solanum tuberosum)
ASR的同源基因DS2(dehydration stress-inducible)
则只受到干旱诱导, 其它刺激(如高温、冷害和ABA)
都不会诱导其表达(Silhavy et al.,1995; Dóczi et al.,
2002)。目前, 大量能够响应干旱胁迫且被诱导表达
的ASR基因家族成员已被鉴定, 如玉米(Zea mays)
ZmAsr1(Zhu et al., 2012)、小麦(Triticum aestivum)
TaASR (Hu et al., 2013)、菜豆(Phaseolus vulgaris)
Asr1和 Asr2(Cortés et al., 2012)、番茄 Asr1和
Asr4(Fischer et al., 2011; Ricardi et al., 2014)和水
稻ASR1(Joo et al., 2013)等。这些基因的鉴定从不同
侧面加深了人们对ASR抗旱机制的了解。
干旱胁迫是香蕉(Musa acuminata)的重要灾害
之一, 缺水时香蕉叶片失绿变薄且果指变短, 严重时
会导致减产。此外, 我国香蕉主产区普遍存在夏季雨
量过多, 秋冬季少雨多干旱等现象, 对香蕉生长发育
极为不利。故对香蕉抗旱品种的选育十分紧迫且必
·研究报告·
苗红霞等: 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用 549
要。然而香蕉栽培品种一般为三倍体, 常规杂交育种
难度很大。因此, 需要大力挖掘香蕉本身的抗旱基因
资源, 研究其真正的抗旱机理, 并通过操纵这类基因
的表达方式从根本上解决香蕉干旱胁迫所面临的各
种问题。
本文对MaASR1在香蕉干旱胁迫中的功能进行
了深入研究。MaASR1(登录号为AY628102)是本课
题组从香蕉 (M. acuminata cv. ‘Brazilian’)果实的
cDNA文库中获得的1个ASR基因(Xu et al., 2007)。
在干旱胁迫条件下, 探明了MaASR1在香蕉不同器官
中的表达, 然后构建了pBI121-MaASR1植物表达载
体, 并转入拟南芥(Arabidopsis thaliana)中过量表达,
以期利用拟南芥清晰的遗传背景来揭示MaASR1的
干旱胁迫应答机制。
1 材料与方法
1.1 材料
香蕉(Musa acuminata L. cv. ‘Brazilian’)采自中国热
带农业科学院热带生物技术研究所澄迈香蕉实验基
地。野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)(Col)购自
Arabidopsis Biological Resource Center (Ohio uni-
versity, Ohio state, USA)。pBI121 Vector购自BD
Bioscience Clontech (USA)。大肠杆菌(Escherichia
coli)DH5α和农杆菌C58工程菌株由中国热带农业科
学院生物技术研究所张家明研究员惠赠。
1.2 方法
1.2.1 香蕉苗的干旱处理及叶片水势测定
取20株五叶一心且生长健壮的香蕉幼苗, 分成4组。
测定各组中的土壤水分含量并调整至85%。干旱胁迫
处理的水分梯度划分参照Hsiao(1973)的方法。第1组:
对照(土壤相对含水量为80%–85%); 第2组: 低度失
水干旱胁迫(土壤相对含水量为55%–60%); 第3组:
中度失水干旱胁迫(土壤相对含水量为45%–50%);
第4组: 高度失水干旱胁迫(土壤相对含水量为30%–
35%)。达到不同胁迫标准后取出植株, 用打孔器在未
展开新叶下的第1片叶处打孔, 取叶盘约1 g, 用植物
露点水势仪测定叶片水势。将根和叶片经液氮速冻后,
于–80°C保存备用。

1.2.2 RNA提取、cDNA第1链合成及实时荧光定量
PCR分析
采用改良的CTAB法提取总RNA(李燕强等, 2005)。按
照SuperScriptTM III Reverse Transcriptase试剂盒
(Invitrogen)使用说明合成cDNA第1链。使用Conser-
ve Domain Research软件分析MaASR1和MaActin1
(内参)的非保守区, 并用primer premier 5.0软件设计
引物, 引物序列见表1。之后, 按照SYBR Premix Ex
Taq试剂盒(TaKaRa)使用说明进行qPCR, 确定干旱
胁迫下MaASR1在香蕉不同器官中的表达量。

1.2.3 MaASR1植物表达载体的构建及其拟南芥的
遗传转化
以 pBI121为基础构建MaASR1表达载体 , 将Ma-
ASR1开放阅读框插入多克隆位点XbaI和SacI之间。
经酶切鉴定后转入农杆菌菌株C58。待野生型拟南芥
花薹长至5–10 cm且侧苔抽出时, 采用浸泡法(Clou-
gh and Bent, 1998)进行拟南芥转化。计算T1代种子
中正常生长幼苗与致死幼苗的比例, 选择分离比为
3:1的幼苗移栽, 收获的种子进行后续实验分析。

1.2.4 MaASR1转基因拟南芥的分子检测
1.2.4.1 野生型和MaASR1转基因拟南芥DNA的提
取及Southern blot检测
取各株系拟南芥叶片0.1 g, 参照Plant DNA Extrac-
tion Easy Kit(Omega)说明书提取DNA。Southern
blot实验步骤参考《分子克隆实验指南》(Sambrook
and Russell, 2002), 探针引物序列见表1。

1.2.4.2 MaASR1转基因拟南芥的Northern blot检测
选取Southern blot检测呈阳性的植株, 提取总RNA (李
燕强等, 2005), 进行MaASR1在mRNA水平上的表达
分析。Northern blot实验步骤参考《分子克隆实验指南》
(Sambrook and Russell, 2002), 探针引物序列见表1。

1.2.4.3 MaASR1转基因拟南芥的Western blot检测
对经Northern检测的两株独立表达的植株在蛋白质
水平上进行表达分析。所用抗体为MaASR1多克隆抗
体(效价为1/80 000), 由上海艾比玛特抗体公司提
供。Western-blot实验步骤参考《分子克隆实验指南》
550 植物学报 49(5) 2014
表1 引物序列
Table 1 Primer sequences
Gene names Application Amplification length (bp) Sequence (5′–3′)
MaASR1 qPCR 164 P1: AGAAGCATCACCACCATCTC
P2: CAAGCATCCCACACTCAACAC
MaActin qPCR 343 P1: CGAGGCTCAATCAAAGA
P2: ACCAGCAAGGTCCAAAC
MaASR1 Primer-probe 389 P1: CCGAGGAGAAGCACCACCAC
P2: GCCACCGCTGCAGCGATCTCCTC
AtRD29a qPCR 174 P1: GATGGAAGATTCTGTCTCAACGAT
P2: GTTTCTCCTTCACTATCTCCTCCG
AtRD29b qPCR 168 P1: CGCCACGGTCCGTTGA
P2: TCCACCGGAATCCGAAAAC
AtDREB2A qPCR 234 P1: AAGGTAAAGGAGGACCAGAG
P2: ACACAACCAGGAGTCTCAAC
AtRAB18 qPCR 275 P1: CCGGTGGTTTACGACAAGAA
P2: CCCAAGCGTTCCAGAGATG
AtAAO3 qPCR 198 P1: GAAGGTCTTGGAAACACGAAGAA
P2: GAAATACACATCCCTGGTGTAC
AtABI1 qPCR 169 P1: AGAGTGTGCCTTTGTATGGTTTTA
P2: CATCCTCTCTCTACAATAGTTCGCT
AtActin qPCR 182 P1: CGGTGCCTTTGCTCTGT
P2: CTTCTTTCCGCTCGCTT


(Sambrook and Russell, 2002)。

1.2.5 MaASR1转基因株系对干旱胁迫的耐受能力
测试及生理指标的变化
1.2.5.1 MaASR1转基因株系对干旱胁迫的耐受能
力测试
选取在育苗盘中生长5周、长势一致且生长健壮的各
株系50株, 保持育苗盘各孔水分含量均为85%, 野生
型和转基因植株同时停止浇水, 14天后, 统计各株系
的存活率。第15天, 每株系浇灌同样体积的营养液(育
苗盘每孔20 cm×20 cm×20cm, 每孔浇8 mL营养液),
第18天再次统计各株系的存活率。控水16天时进行拍
照记录植株的萎蔫状况。本实验重复3次。

1.2.5.2 丙二醛含量的测定
选取控水12天、15天和正常生长条件下的各植株, 摘
取相同部位的叶片各1.0 g, 参照植物生理学教程(张
治安和陈展宇, 2008)进行丙二醛含量的测定。

1.2.5.3 脯氨酸含量的测定
脯氨酸含量是衡量植物抗旱能力的一个重要指标。选

取控水12天和正常生长条件下的各植株, 摘取相同
部位的叶片各0.5 g, 采用茚三酮法(张治安和陈展宇,
2008)进行脯氨酸含量的测定。

1.2.6 MaASR1转基因株系中ABA/胁迫相关基因的
表达分析
1.2.6.1 野生型和MaASR1转基因株系的干旱处理
各转基因株系长至具2–4片真叶时, 洗净根部培养基,
用滤纸自然吸干籽苗的水分, 模拟干旱处理。在0、2
和6小时各取0.2 g材料, 液氮速冻后, 于–80°C保存
备用。

1.2.6.2 野生型和MaASR1转基因株系的外源ABA
处理
各转基因株系长至具2–4片真叶时, 洗净根部培养
基。配制20 mL含100 μmol·L–1ABA的液体培养基
(1/2MS, 1.5% Sucrose, pH 5.7), 倒入无菌培养皿中,
内附1张滤纸, 将籽苗移到滤纸上浸泡24小时。对照
组的各株系籽苗放入不含ABA的液体培养基中浸泡
24小时。之后, 取出并各取0.2 g材料, 吸干表面液体,
迅速放入液氮中冷冻, 并于–70°C保存备用。

苗红霞等: 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用 551
1.2.6.3 qPCR分析各株系中ABA/胁迫相关基因在
mRNA水平上的表达
我们选择了6个研究背景清楚且已证明在ABA/胁迫
途径中上调表达的基因, 即RD29a、RD29b、DRE-
B2A、RAB18、ABI1和AAO3。根据qPCR引物设计
原则, 使用Primer Premier 5.0软件设计引物, 引物
序列见表1。
在0.2 mL的PCR反应管中加入SYBR Premix Ex
Taq(2×)12.5 μL, Rox reference DyeII(50×) 0.5 μL,
5 μmol·L–1的1对引物各0.75 μL, cDNA样品1 μL,
用去离子水补足至25 μL。PCR扩增程序为: 94°C预
变性3分钟; 94°C变性7秒, 退火15秒, 72°C延伸20
秒, 40个循环。RD29a、ABI1和AAO3的退火温度为
56°C; RD29b、DREB2A和RAB18的退火温度为
55°C。
2 结果与讨论
2.1 MaASR1表达对干旱胁迫的应答
如图1所示, 由于土壤的相对含水量不同, 导致相应
条件下香蕉叶片的水势也发生了明显变化, 且不同土
壤含水量条件下叶片水势之间的差异均达到极显著
水平(P<0.01)。在土壤相对含水量为45%时(中度干旱
胁迫 ), 叶片水势大幅度下降 , 降至–2.67 Mpa(图
1A)。利用qPCR对香蕉根和叶片中MaASR1的表达量
进行分析, 结果显示, 根和叶中的MaASR1都在中度
胁迫时被大量诱导(根胁迫后与胁迫前表达量的比值
为1.92:1, 叶胁迫后与胁迫前表达量的比值为3.74:1),
且不同土壤含水量条件下MaASR1在叶片中的表达量
比值差异均达极显著水平(P<0.01)(图1B)。从MaA-
SR1在不同胁迫程度下的表达量比值可以看出, 其在
叶片中的干旱胁迫应答强度高于根部。
2.2 MaASR1植物表达载体的构建及其分子检测
Xba I和Sac I双酶切鉴定MaASR1已正确连接到
pBI121植物表达载体上(图2A), 命名为pBI121-Ma-
ASR1。利用浸泡法将所构建的pBI121-MaASR1导入
野生型拟南芥, Southern检测获得了两株独立转基因
株系, 分别命名为35S::MaASR114和35S::MaASR1-
38(以下简称L14和L38)。L14株系有2个拷贝, L38株

图1 香蕉MaASR1在干旱胁迫条件下的表达
(A) 叶片水势差异; (B) MaASR1在根和叶片中的表达量比值差
异。不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

Figure 1 Expression of banana MaASR1 under drought
conditions
(A) The differences on osmotic potential in leaves; (B) The
differences on relative expression ratio of MaASR1 in roots
and leaves. Different capital letters indicated great significant
difference (P<0.01).


系为单拷贝(图2B)。
对L14和L38进行Northern检测, 结果如图2C所
示。MaASR1在野生型中不表达, 在L14株系中的表
达量高于L38。进一步对L14和L38进行Western检测,
确定MaASR1在蛋白质水平上的表达量。用拟南芥
Rubisco大亚基作内参, 以MaASR1特异的多克隆抗
体为探针进行杂交, 显色。结果显示, 野生型中没有
MaASR1的表达, L14株系中该蛋白的表达量较大,
与mRNA水平上的表达趋势一致(图2D)。
2.3 L14和L38的表型特征
将野生型、L14和L38种在蛭石中, 在23°C、光周期
为10小时光照/14小时黑暗的条件下进行培养。5周后
从各株系相同部位采下叶片(图3A), 野生型的叶片面
552 植物学报 49(5) 2014


图2 pBI121-MaASR1植物表达载体的构建及转基因株系的分子检测
(A) pBI121-MaASR1载体; (B) Southern杂交; (C) Northern杂交; (D) Western杂交。M: DL marker 2000; 1: pBI121-MaASR1重组
质粒双酶切; WT: 野生型; L14, L38: 转基因株系

Figure 2 Construction of the pBI121-MaASR1 plant expression vector and molecular detection of MaASR1 transgenic lines
(A) pBI121-MaASR1 vector; (B) Southern blotting; (C) Northern blotting; (D) Western blotting. M: DL marker 2000; 1: Double
digestion of pBI121-MaASR1 recombinant plasmid; WT: Wild-type; L14, L38: Transgenic lines


积大, 边缘平整, 叶片相对较薄; L14和L38叶片面积
小, 边缘卷缩(L14的卷曲程度大于L38), 叶片较厚。
从图3B可以看出, 生长5周的MaASR1转基因株系与
野生型相比, 叶片较小、叶柄较长且植株变小。
2.4 MaASR1转基因株系在干旱胁迫下的耐受力
及相关生理指标的变化
生长5周的野生型、L14和L38经控水处理16天后, 野
生型叶片已全部失绿, 干枯死亡; 而L14和L38转基
因株系的叶片边缘虽然开始变黄, 但仍保持着较强的
生命力(图4A)。数据分析显示, 控水处理14天后, 野
生型的存活率已降至18.2%, L14与L38的存活率则分
别为83.1%和77.5%; 复水3天后, 野生型的存活率上
升到22.2%, L14和L38的存活率则分别上升为87.3%
和80.4%, 且野生型、L14和L38干旱胁迫后与胁迫前
相比存活率差异均达极显著水平(P<0.01), 但L14与
L38复水后存活率比野生型分别高3.9倍和3.6倍(图
4B)。证明MaASR1过表达株系比野生型具有更强的
抗旱能力。
干旱胁迫12天 , 野生型的丙二醛含量上升到
0.005 1 nmol·g–1FW; 而L14和L38的丙二醛含量分
别为0.003 64和0.003 82 nmol·g–1FW。干旱胁迫15天,
野生型的丙二醛含量为0.005 38 nmol·g–1FW, L14和
L38的丙二醛含量则分别为0.003 95和0.004 11
nmol·g–1FW, 且野生型、L14和L38干旱胁迫后与胁
迫前相比丙二醛含量差异均达到极显著水平 (P<
0.01), 但野生型的丙二醛含量比L14及L38株系分别
高1.36倍和1.30倍(图4C)。上述结果表明, MaASR1
转基因植株受胁迫损伤程度低于野生型。
野生型、L14和L38控水处理12天, 野生型的脯氨
酸含量为51.34 ng·g–1FW, 而L14与L38的脯氨酸含
量分别为161.52和137.92 ng·g–1FW, 且野生型、L14
0.5 cm
1.0 cm
苗红霞等: 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用 553


图3 生长5周的拟南芥野生型和转基因株系(L14与L38)的叶
片表型
(A) 叶片; (B) 植株。Col: 拟南芥野生型; L14, L38: 转基因
株系

Figure 3 Leaf phenotype of five-week-old wild-type and
MaASR1 transgenic lines of Arabidopsis thaliana
(A) Leaves; (B) Plants. Col: Wild-type; L14, L38: Transgenic
lines


和L38控水后与控水前脯氨酸含量差异均达到极显著
水平(P<0.01), 但控水后L14与L38的脯氨酸含量分
别是野生型脯氨酸含量的3倍和2.7倍(图4D)。这表明
MaASR1转基因株系L14和L38的渗透调节能力强于
野生型。
2.5 干旱胁迫下各株系中ABA/胁迫应答基因
mRNA水平上的表达
应用qPCR技术研究干旱处理不同时间内ABA/胁迫
应答基因的表达变化(图5)。从图5可以看出, 野生型
在干旱胁迫2小时, RD29a、RD29b、RAB18和DRE-
B2A基因的表达均受到诱导, RD29a受诱导程度最高,
表达量增加了11倍, RD29b、RAB18及DREB2A基因
的表达量也分别上升了6倍、2倍和5倍, 且野生型干
旱胁迫2小时与0小时(对照)相比各应答基因表达量差
异均达到显著水平(P<0.05); 干旱胁迫6小时, 各应
答基因的表达恢复正常水平。但是, L14转基因株系的
RD29a、RD29b、RAB18和DREB2A基因的表达在
干旱胁迫2小时与6小时均未受到诱导。
2.6 干旱胁迫下各株系中ABA信号转导和生物合
成途径相关基因mRNA水平上的表达
由图6可知, 干旱胁迫2小时, ABI1基因在WT中的表
达量增加了约3倍, 而在L14和L38中分别增加了约19
倍和22倍, 且L14和L38干旱胁迫2小时与0小时(对
照)相比ABI1基因的表达量差异均达到显著水平(P<
0.05), 说明转入MaASR1能够提高植物对ABA信号
的感应。而AAO3基因的表达在WT和MaASR1转基因
株系(L14与L38)中基本相同。
2.7 ABA处理下各株系中ABA/胁迫应答基因
mRNA水平上的表达
如图7所示, 在外源ABA的诱导下, RD29a、RD29b、
RAB18和DREB2A的表达都受到诱导 , 但在Ma-
ASR1转基因植株中的诱导程度高于野生型, 且转基
因株系(L14和L38)ABA处理后与处理前相比各应答
基因的表达量均达到显著水平 (P<0.05), 说明Ma-
ASR1的转入增强了植物对ABA的应答程度。
2.8 ABA处理下野生型和MaASR1转基因植株中
ABA信号途径和生物合成相关基因mRNA水平上
的表达
图8显示, 在外源ABA处理下, L14和L38中ABI1的表
达被强烈诱导, 分别增加了约13倍和15倍, 且L14和
L38株系ABA处理后与处理前相比ABI1的表达量差
异均达到显著水平(P<0.05)。ABI1在野生型中也表现
为上调表达, 但上升幅度较小(约为正常表达量的5
倍), 说明MaASR1能够提高植物对ABA信号的感应。
AAO3的表达在野生型和MaASR1转基因植株中均未
受到ABA的诱导。
2.9 讨论
2.9.1 香蕉MaASR1在干旱胁迫下的应答
MaASR1具有该家族基因共有的保守结构域, 即N端
依赖于Zn2+的DNA结合位点和C端核定位信号, 与玉
米(Zhu et al., 2012)、小麦(Hu et al., 2013)和水稻
(Joo et al., 2013)等单子叶植物ASR1基因进化距离
较近。在中度失水干旱胁迫条件下, MaASR1在香蕉
叶片中的表达量比值高于根, 且MaASR1在叶片部位
554 植物学报 49(5) 2014

图4 MaASR1过表达植株的抗旱性及相关生理指标的变化
(A) 野生型及转基因株系控水16天后的表型; (B) 存活率; (C) 脯氨酸含量; (D) 丙二醛含量。Col: 野生型(WT); L14, L38: 转基因株
系。不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

Figure 4 Drought tolerance and related physiological change of MaASR1 transgenic lines
(A) The photographs of WT and transgenic lines after water withholding for 16 days; (B) Survival rate; (C) Proline content; (D) MDA
content. Col: Wild-type (WT); L14, L38: Transgenic lines. Different capital letters indicated great significant difference (P<0.01).


的应答强度也高于根(图1), 这与对玉米(Zhu et al.,
2012)和番茄(Fischer et al., 2011)等的研究结果一
致。推测MaASR1可能主要通过调控叶片部位的水分
运输, 类似于水通道蛋白和细胞壁重塑蛋白(即纤维
素合成酶和葡聚糖酶基因编码的蛋白质)的作用机制
来提高植物的抗旱能力(Ricardi et al., 2014)。

2.9.2 MaASR1转基因拟南芥抗旱性增强
干旱胁迫可使抗旱植物形态及超微结构发生变化, 如
植株变小、叶片变小及变厚, 叶绿体及线粒体未有明
显损伤等(陈健辉等, 2011; Zhou et al., 2013)。
MaASR1各转基因株系与野生型拟南芥受干旱胁迫
后, 发现MaASR1基因的转入导致拟南芥叶片变小且
变厚(图3), 这与对番茄(Zhou et al., 2013)和拟南芥
(Zhang et al., 2011)等的研究结果一致。此外, Ma-
ASR1转基因植株的存活率远远大于野生型, 脯氨酸
含量高于野生型, 说明MaASR1的转入导致了其渗透
调节能力增强; 同时, 转基因株系中的丙二醛含量低
于野生型, 说明MaASR1的转入导致其受干旱胁迫损
伤程度低于野生型(图4)。转基因株系抗旱性的增强可
苗红霞等: 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用 555
能是由于MaASR1转入导致了叶片部位生理结构发
生改变、脯氨酸含量升高及丙二醛含量下降。另外, 从
各株系干旱胁迫下的生理指标测定结果可以看出 ,
L14的抗旱能力强于L38, 这可能与2个株系中Ma-


ASR1基因的表达量有关, 说明MaASR1基因所介导
的抗旱性增强与其表达水平呈正相关。

2.9.3 干旱胁迫下MaASR1转基因株系中ABA/胁迫
相关基因的表达分析
RD29a、RD29b和RAB18属于ABA/干旱胁迫应答基
因, 干旱条件下这类应答基因的表达代表一条依赖于
ABA的转导途径(Xiong et al., 2001); 而DREB2A是1
个结合于DRE/CRT的转录因子, 其本身的干旱胁迫
应答与ABA信号无关, 代表一条不依赖于ABA的途径
(Yamaguchi-Shinozaki and Shinozaki, 1994; Saku-
ma et al., 2006)。因此, 对这4个基因的表达分析可以
初步判断出MaASR1转基因拟南芥的干旱胁迫应答
模式。
在模拟干旱胁迫条件下 , RD29a、RD29b和
RAB18在转基因株系(L14和L38)中的诱导表达量远
低于野生型。这一结果表明, MaASR1的转入降低了
胁迫响应基因对外界干旱胁迫的应答程度。由于Ma-
ASR1转基因植株的抗旱能力提高, 使其自身受到保
护, 因而只有在较强的干旱胁迫条件下, 植物体内的
应答基因才会对外界胁迫作出应答。此外, DREB2A
基因在L14和L38中的表达量也远远低于野生型(图
5)。这些结果暗示了MaASR1转基因拟南芥并不是通
过影响胁迫条件下ABA的信号途径来调控胁迫应答
基因的表达, 而是可能通过调控其它的不依赖于ABA
信号通路的胁迫信号转导途径来调控植物的抗旱应
答, 进而赋予植物抗旱性。
ABI1是ABA信号通路的上游元件, 为PP2C蛋白
激酶家族成员; AAO3 (ABA aldehyde oxidase, AAO)

______________________________________________________
←
图5 干旱处理下野生型和MaASR1转基因植株中ABA/胁迫应
答基因RD29a (A)、RD29b (B)、RAB18 (C)和DREB2A (D)的
表达
Col: 野生型; L14, L38: 转基因株系。不同小写字母表示差异显
著(P<0.05)。

Figure 5 Expression of ABA/stress responsive genes
RD29a (A), RD29b (B), RAB18 (C) and DREB2A (D) in
wild-type and MaASR1 transgenic lines under drought stress
Col: Wild-type; L14, L38: Transgenic lines. Different lower-
case letters indicated significant difference (P<0.05).

556 植物学报 49(5) 2014


图6 干旱胁迫下野生型和MaASR1转基因株系中ABA信号转
导和生物合成相关基因ABI1 (A)和AAO3 (B)的表达
Col: 野生型; L14, L38: 转基因株系。不同小写字母表示差异显
著(P<0.05)。

Figure 6 Expression of ABI1 (A) and AAO3 (B) genes in-
volved ABA signal transduction and biosynthesis pathway in
wild-type and MaASR1 transgenic lines under drought stress
Col: Wild-type; L14, L38: Transgenic lines. Different lower-
case letters indicated significant difference (P<0.05).

______________________________________________________
→
图7 ABA处理下野生型和MaASR1转基因植株中ABA/胁迫应
答基因RD29a (A)、RD29b (B)、RAB18 (C)和DREB2A (D)的
表达
Col: 野生型; L14, L38: 转基因株系。不同小写字母表示差异显
著(P<0.05)。

Figure 7 Expression of ABA/stress responsive genes
RD29a (A), RD29b (B), RAB18 (C) and DREB2A (D) in
wild-type and MaASR1 transgenic lines by ABA treatment
Col: Wild-type; L14, L38: Transgenic lines. Different lower-
case letters indicated significant difference (P<0.05).

苗红霞等: 香蕉MaASR1基因的抗干旱作用 557
是ABA生物合成的限速酶(Xiong and Zhu, 2003)。在
干旱胁迫下, 植株内源ABA含量升高, ABI1基因在各
株系中都被诱导表达, 且在L14和L38转基因株系中
的表达量高于野生型(图6)。说明MaASR1并没有降低
拟南芥对内源ABA信号的敏感度, 反而在ABA信号传
递途径上游增强了植物体对胁迫条件下所产生的内
源ABA信号的敏感度。在干旱胁迫后AAO3的表达升
高, 但增长程度与野生型相当(图6), 说明MaASR1基
因的转入并未影响拟南芥内源ABA的生物合成途
径。

2.9.4 ABA处理下MaASR1转基因株系中ABA/胁
迫相关基因的表达分析
外源ABA处理后, RD29a、RD29b和RAB18在转基因
株系(L14和L38)中的表达水平大幅度升高, 远高于野
生型中的积累量(图7)。说明MaASR1的转入增强了拟
南芥ABA信号通路下游应答基因对ABA信号的应答。
DREB2A本身的表达与ABA信号无关 (Yamaguchi-
Shinozaki and Shinozaki, 1994), 在外源ABA的诱导
下, 其表达量在野生型和MaASR1转基因植株中都没
有明显变化。
在检测外源ABA诱导下ABA信号通路上游元件
(ABI1)和生物合成途径关键酶基因(AAO3)的表达时,
发现ABI1基因在各株系中都被诱导表达, 但在L14和
L38中的表达量远高于野生型(图8), 说明MaASR1基
因能够增强拟南芥体内ABA信号通路上游元件(ABI-
1)对外源ABA信号的感受程度。而AAO3基因在野生
型和转基因株系中的表达均未被外源ABA诱导。这可
能是因为拟南芥AAO基因家族有多个成员, AAO3不
参与外源ABA诱导的内源ABA的生物合成途径。
以上实验结果表明, 无论是干旱胁迫条件下产生
的内源ABA信号还是外源ABA, 均能大大增强Ma-
ASR1转基因植株体内ABA信号通路上游元件(ABI1)
对ABA信号的感受程度。而且 , 外源ABA处理下 ,
MaASR1的转入也能提高ABA/胁迫信号途径下游响
应基因对外源ABA的应答。但是, 干旱胁迫条件下,
无论是ABA应答基因还是胁迫应答基因, 在L14和
L38中的表达水平均较低, 说明MaASR1可能并不是
通过影响胁迫条件下ABA信号途径来调控胁迫应答
基因的表达, 而是可能通过调控其它的不依赖于ABA
信号通路的胁迫信号转导途径来调控植物的抗旱应

图8 ABA处理下野生型和MaASR1转基因植株中ABA信号转
导和生物合成相关基因ABI1 (A)和AAO3 (B)的表达
Col: 野生型; L14, L38: 转基因株系。不同小写字母表示差异显
著(P<0.05)。

Figure 8 Expression of ABI1 (A) and AAO3 (B) genes in-
volved ABA signal transduction and biosynthesis pathway in
wild-type and MaASR1 transgenic lines under ABA treatment
Col: Wild-type; L14, L38: Transgenic lines. Different lower-
case letters indicated significant difference (P<0.05).

答, 进而赋予植物抗旱能力。我们推测这种不依赖于
ABA信号通路的胁迫信号途径最终可能通过调控植
物体的生理生化特征, 如叶片面积和厚度, 来增强植
物对干旱胁迫的防御能力, 以使植物本身具有较强的
保护机制, 并使其只有在较强的干旱胁迫条件下, 植
物体内的应答基因才会对外界干旱胁迫作出应答。
综上所述, MaASR1转入能够增强拟南芥对ABA
信号的感受和应答, 提高其抗旱性, 但这种抗旱性的
增强并不是通过调控ABA信号途径来完成。
3 结论
本研究结果表明, 在干旱胁迫条件下, MaASR1基因
558 植物学报 49(5) 2014
在香蕉叶片中的表达量高于根部, 且MaASR1在拟南
芥中表达后使植株变小、叶片变小且变厚、抗旱性增
强。MaASR1转入能够增强拟南芥对ABA信号的敏感
性, 但赋予植株的抗旱性并不是通过ABA信号途径,
而可能通过调控其它的不依赖于ABA的信号通路来
完成。
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The Role of Banana MaASR1 in Drought Stress Tolerance
Hongxia Miao1, Yuan Wang1, Biyu Xu1, Juhua Liu1, Caihong Jia1, Jianbin Zhang1, Zhuo Wang1
Peiguang Sun2, Zhiqiang Jin1, 2*
1Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Key Laboratory of
Biology and Genetic Resources of Tropical Crops, Ministry of Agriculture, Haikou 571101, China; 2Haikou Experimental
Station, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Hainan Provincial Key Laboratory for Genetics and
Breeding of Banana, Haikou 570102, China
Abstract ASR (abscisic acid [ABA], stress, ripening-induced) proteins are a class of transcriptional factors involved in
drought stress tolerance in many plant species. However, the regulation mechanism of ASR in banana under drought
stress tolerance is not known. Previously, we screened a new ASR gene from the cDNA library of banana (Musa acumi-
nata cv. ‘Brazilian’), designated MaASR1 (accession no. AY628102). MaASR1 expression was higher in leaves than roots
under drought stress. MaASR1 was transferred into Arabidopsis thaliana and two independent transgenic lines (L14, L38)
were obtained. The leaves of MaASR1 transgenic lines were smaller and thicker than those of the wild type. Survival rate
and proline content were higher in L14 and L38 than in the wild type after drought treatment. Under drought stress and
ABA treatment, We found that MaASR1 could enhance the sensitivity of the transgenic plants to ABA signal but did not
improve ABA-dependent drought stress tolerance.
Key words Musa acuminata cv. ‘Brazilian’, ASR gene, Arabidopsis thaliana, drought stress, abscisic acid
Miao HX, Wang Y, Xu BY, Liu JH, Jia CH, Zhang JB, Wang Z, Sun PG, Jin ZQ (2014). The role of banana MaASR1 in
drought stress tolerance. Chin Bull Bot 49, 548–559.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: 18689846976@163.com
(责任编辑: 孙冬花)