全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (2): 111–119, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00111
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收稿日期: 2011-08-15; 接受日期: 2011-12-06
基金项目: 国家自然科学基金(No.30960034, No.31160049)和国家转基因专项(No.2011ZX08005-004)
* 通讯作者。E-mail: zjbshz@163.com
天山雪莲冷调节蛋白基因siCOR转化烟草植株的抗旱性分析
郭新勇, 程晨, 王爱英, 张煜星, 王重, 喻娜, 祝建波*
石河子大学生命科学学院, 石河子大学农业生物技术重点实验室, 石河子 832003
摘要 冷调节蛋白(cold regulated proteins, CORPs)是植物在冷驯化下产生的特异性蛋白, 与植物的抗寒性密切相关。然
而, 大量研究表明, 绝大多数植物冷诱导基因同样会响应水分胁迫。采用半定量RT-PCR分析天山雪莲(Sasussured in-
volucrata)冷调节蛋白基因siCOR的表达, 结果表明siCOR是一个受干旱胁迫诱导表达的基因。为研究siCOR基因是否与抗
旱性相关, 以siCOR转基因烟草为研究材料, 利用水分胁迫处理进行抗旱性分析。结果表明与野生型 (wild-type, WT)
相比 , 转siCOR植株叶片萎蔫较迟且程度较轻, 复水后恢复快且较完全; 其叶片相对含水量和PSII相对量子产率的降低幅
度、相对电导率和丙二醛含量的升高幅度均低于野生型烟草植株。采用PEG6000模拟干旱胁迫 , 发现转siCOR植株T3
代种子的萌发率较高, 主根生长的受抑制程度较野生型轻。以上结果表明, siCOR基因在植物对干旱胁迫的响应中起重要
作用。
关键词 抗旱性, 天山雪莲, 冷调节蛋白基因, 烟草
郭新勇, 程晨, 王爱英, 张煜星, 王重, 喻娜, 祝建波 (2012). 天山雪莲冷调节蛋白基因siCOR转化烟草植株的抗旱性分
析. 植物学报 47, 111–119.
作物的生长和产量往往由于缺水而受到限制, 从
而给农业经济带来巨大的损失(Chaves et al., 2003;
赵福庚等, 2004)。为了适应缺水的环境, 植物会在基
因表达和生理等方面做出积极的响应。冷调节蛋白
(cold regulated proteins, CORPs)是指大多数植物在
低温驯化诱导条件下产生的一类特异性蛋白, 也称为
冷驯化蛋白(cold acclimation proteins, CAIPs), 它与
植物的抗寒力密切相关(Weiser, 1970)。大量的研究
资料表明, 绝大多数植物的冷诱导基因同样会响应水
分胁迫(Jonak et al., 1996)。1985年, Guy等首先在菠
菜 (Spinacia oleracea)中发现此类蛋白 (Guy and
Haskell, 1987)。对氨基酸序列进行比对分析发现, 多
数冷调节蛋白的结构很相似 , 富含亲水性氨基酸
(Gly、Thr和His等), 有许多多肽包含一段能够形成亲
水性α-螺旋的特殊区域(Kurkela and Franck, 1990;
马建忠 , 1996; 王艇和唐振亚 , 1997; 康国章等 ,
2002)。这些蛋白质结构有利于在分子内部形成氢键,
增强蛋白的流动性和柔韧性, 并能够结合大量的水分
子, 增加水膜厚度, 防止因失水过多而造成细胞结构
的破坏。因此, 冷调节蛋白基因也可能具有抗旱的功
能。
新疆天山雪莲(Sasussured involucrata)作为新
疆的特色植物 , 一般生长于天山雪线海拔2 500–
4 500 m之间。由于气候寒冷, 早晚温差悬殊, 在这样
的严峻环境中, 雪莲经过长期的自然选择, 形成了适
应极端环境条件的生理生化机制, 因此受到学者的广
泛关注。
我们的前期工作从天山雪莲cDNA库中克隆了全
长冷调节蛋白基因siCOR, 构建超表达载体 35S::
siCOR, 并通过农杆菌介导转化烟草 (Nicotiana
tabacum)。对转基因烟草进行冷冻胁迫处理 , 发
现siCOR基因能够明显提高植株的抗寒性 (郭新
勇等, 2012)。为了研究该基因是否同时具有抗旱
功能 , 本研究进一步对siCOR转基因烟草植株进
行了水分和PEG6000胁迫实验。抗旱性分析结果
表明, 与野生型相比, siCOR转基因烟草具有更加显
著的抗旱性, 从而为今后该基因的研究与应用提
供了理论基础和实验依据。
·研究报告·
112 植物学报 47(2) 2012
1 材料与方法
1.1 材料
植物材料为siCOR转基因烟草(郭新勇等, 2012)及其
野生型(wild-type, WT)受体烟草(Nicotiana tabacum
L.)‘NC89’。天山雪莲(Sasussured involucrata Kar. et
Kir)无菌苗由新疆石河子大学农业生物技术重点实验
室保存。
1.2 方法
1.2.1 半定量RT-PCR分析
将天山雪莲无菌苗浸于20%的PEG6000中进行胁迫
处理, 分别在处理的0、6、12和18小时取叶片, 液氮
速冻后–70°C保存。采用Trizol法进行总RNA提取
(Sambrook and Russell, 2002)。用不含RNA酶的
DNA酶70°C处理10分钟, 除去DNA。琼脂糖凝胶电
泳检测其质量, 反转录得到cDNA第1链。根据天山雪
莲GAPDH基因序列设计特异性引物 (F: 5′-TAGC-
AAGGATGCTCCCATGTTCGT-3′; R: 5′-AAAGG-
AGCAAGGCAGTTGGTTGTG-3′), 对样本进行扩
增, 使模板cDNA均一化。然后根据siCOR基因序列
设计引物(F: 5′-TTTGGAGTTACCTGGAGCTGTG-
CT-3′; R: 5′-TTGGAAATGCCGTTGCTCTTCGTG-
3′)进行半定量PCR扩增。扩增程序如下: 94°C预变性
4分钟; 94°C变性40秒, 52°C退火40秒, 72°C延伸30
秒, 共进行30个循环; 最后72°C延伸7分钟。扩增产
物用1%的琼脂糖凝胶电泳检测, EB染色后观察结果。

1.2.2 水分胁迫下烟草生理指标的测定
选取生长旺盛、大小一致的转基因和野生型植株幼苗
各4株, 分2行移栽至长50 cm、宽35 cm、深15 cm的
塑料盆中。充分浇水使之成活, 待幼苗生长形态相近
后进行水分胁迫。对其叶片的相对含水量、丙二醛
(malondialdehyde, MDA)含量、相对电导率和PSII光
化学最大量子效率进行检测(李合生, 2003)。
叶片相对含水量的测定: 选取同一部位、大小相
近的叶片, 用直径为1.2 cm的打孔器打孔, 称取鲜重
(A)后, 将其放入平皿中, 加入蒸馏水, 平铺一层滤
纸, 使叶片完全浸于水中12小时, 待叶片吸水至饱
和。从水中将叶片取出, 并用滤纸吸除表面水分后称
重(B)。最后将叶片放入80°C烘箱中, 烘干后称重(C)。
叶片相对含水量(%)=[(A–C)/(B–C)]×100%。
叶片丙二醛含量的测定: 选取同一部位、大小相
近的叶片, 用直径为1.0 cm的打孔器打孔称重至0.1
g, 加入1.5 mL的5%三氯乙酸(trichloroacetic acid,
TCA), 充分研磨后12 000×g离心10分钟; 取上清液,
加入2 mL的0.067%硫代巴比妥酸 (thiobarbituric
acid, TBA), 充分摇匀后置于100°C水浴30分钟; 分
别测定波长为450、532和600 nm时的吸光值A450、
A532和A600。丙二醛含量(μmol·g–1)=6.45(A532–A600)–
0.56A450。
叶片相对电导率的测定: 选取同一部位、大小相
近的叶片用纱布拭净, 用直径为1.0 cm的打孔器打
孔, 称重至0.1 g, 放入带有刻度的试管中, 加蒸馏水
至10 mL处, 浸没叶片静置20分钟后, 用电导仪测定
电导率, 数值为A; 100°C水浴30分钟后, 放入水中静
置20分钟, 用电导仪测定电导率, 数值为B。叶片相
对电导率(%)=A/B×100%。
叶片PSII光化学最大量子效率的测定: 选取同一
部位、大小相近的野生型和转基因烟草叶片, 使用仪
器DUAL-PAM-100进行PSII光化学最大量子效率的
测定。其中叶片最大荧光值为Fm, 固定荧光值为Fo,
按照公式: Fv/Fm=(Fm–Fo)/Fm计算出PSII光化学最大
量子效率。

1.2.3 PEG6000模拟干旱胁迫下烟草种子萌发率和
根长的测定
剪取直径为9 cm的圆形滤纸15张, 用标记笔将每张
滤纸从中间划分为二, 分别放置于15个直径为9 cm
的培养皿中。每个培养皿上放置颗粒饱满、均一的野
生型和T3代同一株系的siCOR转基因烟草种子各50
粒, 左为野生型, 右为转基因型。将其分为5组, 依次
为0%、5%、10%、15%和20%的PEG6000处理。每
组设3个重复, 置于温度25°C、光照12小时的组培室
中观察并拍照记录。
将野生型和转基因烟草种子分别放入1.5 mL离
心管中, 首先用70%乙醇消毒1分钟, 用无菌水冲洗3
次后, 再用15%的H2O2消毒10分钟, 最后用无菌水
冲洗5次, 将种子均匀地播种到1/2MS固体培养基上。
4°C暗培养3天后, 挑选已萌发的野生型和转基因型
种子各4颗, 水平铺到含有不同浓度(0%、5%、10%、
15%和20%)PEG6000的1/2MS固体培养基上, 左为
郭新勇等: 天山雪莲冷调节蛋白基因 siCOR 转化烟草植株的抗旱性分析 113
野生型, 右为转基因型。每组设4个重复。待幼苗在
垂直平板上竖向生长20天后用毫米直尺测量其主根
长度。
2 结果与讨论
2.1 siCOR基因受干旱胁迫诱导表达
为了验证siCOR的表达是否受干旱胁迫诱导, 对天
山雪莲无菌苗进行20%PEG6000处理 , 在不同的
处理时间提取其叶片RNA并进行RT-PCR分析。结
果显示, 随着处理时间的延长, siCOR基因的表达
水平上调 (图1), 表明siCOR基因的表达受到干旱
胁迫的诱导。
2.2 水分胁迫对野生型和转基因烟草形态和生理
指标的影响
图2A显示, 停止浇水后第3天, 野生型植株基部开始
萎蔫, 叶片由下至上开始慢慢变黄; 第4天, 顶端叶
片开始向内卷曲; 第7天, 整株萎蔫; 第14天, 整株
变黄。而转基因植株在停止浇水后第6天基部开始萎
蔫, 叶片由下至上开始慢慢变黄; 第9天顶端叶片开
始向内卷曲; 第12天整株萎蔫, 直至复水前未观察到
整株变黄的情况。在复水后, 4株野生型烟草只存活了



图1 20%PEG6000处理的天山雪莲siCOR基因表达的RT-PCR
分析
图中数字代表PEG6000的处理时间。

Figure 1 RT-PCR analysis of the expression of siCOR in
Sasussured involucrata seedlings treated by the drought
stress of 20% PEG6000
Numbers in the figure indicated the time of PEG6000 treat-
ment.
1株, 在复水后的第7天叶片由黄变绿但仍卷曲, 第9
天叶片开始展开。而4株转基因烟草则存活了3株, 其
中2株叶片长势较好。可见 , 在水分胁迫实验中
siCOR转基因烟草植株表现出更强的抗旱性。
图2B–E显示, 在水分胁迫实验中, 随着胁迫时
间的延长, 野生型和转基因烟草的叶片相对含水量都
有所下降, 但野生型烟草的下降幅度和速度明显大于
转基因烟草 (图2B); 野生型和转基因烟草的叶片
MDA含量均呈上升趋势, 但野生型烟草的上升幅度
和速度明显大于转基因烟草(图2C); 野生型和转基因
烟草细胞膜的受伤害率均随时间的延长而上升, 但野
生型烟草伤害率的上升幅度和速度明显高于转基因
烟草(图2D); 野生型和转基因烟草的Fv/Fm值都有所
下降, 但转基因烟草的下降幅度显著低于野生型烟草
(图2E)。可见, 在水分胁迫条件下siCOR基因的过量
表达减轻了烟草叶片PSII受到的逆境伤害。以上生理
指标的变化进一步说明, 在水分胁迫下siCOR转基
因烟草的抗旱性强于野生型烟草。
2.3 PEG6000模拟干旱胁迫对转基因烟草种子萌
发和根长的影响
图3A显示, 在0%PEG6000的胁迫下野生型和转基因
烟草种子基本上萌发完全, 随着PEG6000浓度的升
高, 野生型和转基因烟草种子的发芽数量都有所减
少, 但野生型烟草种子发芽数减少的程度明显大于转
基因烟草种子, 尤其是在10%PEG6000的胁迫下差
异极为显著, 而在20%PEG6000胁迫下野生型和转
基因烟草种子几乎都不能萌发。图3B显示 , 与
0%PEG6000处理相比, 5%PEG6000处理条件下野
生型烟草种子的发芽率下降了26%, 而转基因烟草种
子的发芽率仅下降了0.7%; 从5%PEG6000处理到
10%PEG6000处理, 野生型烟草种子的发芽率下降
了58%, 而转基因烟草种子的发芽率仅下降了4%。可
见, PEG6000模拟干旱胁迫下, 野生型烟草种子发芽
率降低的幅度和速度明显大于转基因烟草种子。
对在含不同浓度PEG6000的1/2MS培养基上生
长20天的烟草主根表型和根的长度进行观察和统计。
图3C显示, 在0%PEG6000的处理条件下野生型和
转基因烟草的主根长度基本相同, 随着PEG6000处
理浓度的升高, 野生型和转基因烟草的根长都变短,
但野生型烟草根长变短的程度明显大于转基因烟草,
114 植物学报 47(2) 2012


图2 水分胁迫处理对野生型(WT)和siCOR转基因烟草的形态和部分生理指标的影响
(A) 水分胁迫处理不同时期野生型和siCOR转基因烟草的形态特征(各图中上为转基因烟草, 下为野生型); (B)–(E) 水分胁迫条件下
野生型和siCOR转基因烟草叶片相对含水量(B)、丙二醛(MDA)含量(C)、相对电导率(D)和最大光化学效率(Fv/Fm)(E)的检测(不同小
写字母表示在0.05水平差异显著, 不同大写字母表示在0.01水平差异显著, 下同)。

Figure 2 Effects of drought stress on morphological characters and physiological indices of the wild type (WT) and trans-siCOR
tobacco
(A) Morphological characters of WT and trans-siCOR tobacco plants at different time of drought stress (The upper and bottom
plants were trans-siCOR and WT tobacco in each figure, respectively); (B)–(E) Effects of drought stress on the relative water
content (B), malondialdehyde (MDA) content (C), relative conductivity (D), and maximum photochemical efficiency (Fv/Fm)(E) of
WT and trans-siCOR tobacco leaves (Different small letters and capital letters indicated significant difference at 0.05 and 0.01
level, respectively. The same as below)
郭新勇等: 天山雪莲冷调节蛋白基因 siCOR 转化烟草植株的抗旱性分析 115


尤其是在10%PEG6000的胁迫下差异极为显著, 在
15%PEG6000胁迫下野生型烟草基本上不生根, 而
转基因烟草在20%PEG6000胁迫下根的生长才被基
本抑制。统计分析表明, 从0%PEG6000处理到5%
PEG6000处理, 野生型和转基因烟草的根长分别变
短了0.91 cm和0.81 cm, 而从5%PEG6000处理到
10%PEG6000处理, 野生型和转基因烟草的根长分
别变短了0.55 cm和0.4 cm(图3D)。可见, 在PEG-
6000模拟干旱胁迫下, 转基因烟草根的生长状态明
显优于野生型烟草。
2.4 讨论
干旱是影响植物生长和发育最主要的逆境之一, 每年
全球因为干旱可造成数千亿美元的经济损失。因此对
植物抗旱性方面的研究显得尤其重要。由于借助传统
育种方法不能更好地获得耐受干旱的农作物品种, 所
以, 借助基因工程手段, 克隆、筛选和鉴定与干旱胁
迫相关的基因, 通过转基因方式使植物遗传特性发生
改变, 增强植物的抗旱性具有很高的经济价值。
由于天山雪莲生长环境的特殊性, 其遗传环境较
为封闭, 在这样的条件下, 雪莲受到的遗传干扰较
_____________________________________________
←
图3 siCOR转基因烟草种子萌发和根长对PEG6000处理的响
应
(A) 野生型(WT)和siCOR转基因烟草在含不同浓度(0%、5%、
10%、15%、20%)PEG6000的滤纸上萌发并生长10天; (B) 图
A中子叶绿色株所占比率的统计(3次重复取平均值); (C) 野生
型和siCOR转基因烟草在含不同浓度(0%、5%、10%、15%、
20%)PEG6000的1/2MS培养基上生长20天的主根表型; (D) 图
C中主根长度的统计(4次重复取平均值)

Figure 3 The seed germination and seedling growth of
trans-siCOR tobacco are sensitive to PEG6000 treatment
(A) The seeds of trans-siCOR and wild-type (WT) tobacco
germinated and grown for 10 days on filter paper containing a
range of concentrations (0%, 5%, 10%, 15%, 20%) of
PEG6000; (B) The statistics of green cotyledon ratio in figure
A (data are means of three replicates); (C) The growth of
primary roots of trans-siCOR and WT tobacco grown for 20
days on 1/2MS medium containing a range of concentrations
(0%, 5%, 10%, 15%, 20%) of PEG6000; (D) The statistics of
primary root length in figure C (data are means of four repli-
cates)

116 植物学报 47(2) 2012
少, 进化过程相对独立, 形成了很多与抗逆相关的特
殊基因。这些基因既有与其它基因共同的特点, 又有
其自身独特的结构。基于以上因素, 将天山雪莲作为
优秀的种质资源应用于抗逆基因工程具有极其重要
的现实意义。但是, 人们对天山雪莲的研究大多局限
于抗寒性的层面, 对雪莲抗旱性的研究却很少。大量
的研究资料表明, 绝大多数植物的冷诱导基因同样响
应水分胁迫(Jonak et al., 1996)。
1985年, Guy等首先在菠菜中发现冷调节蛋白
(CORPs)(Guy and Haskell, 1987)。此后, 随着生物
化学技术的不断发展 , 现已在金银花、乌饭树
(Vaccinium bracteatum)、桃树、杨树、柳树、苜蓿
(Medicago sativa)、菠菜和小麦(Triticum aestivum)
等30多种植物中发现了CORPs(Kazuoka and Oeda,
1992)。CORPs不只在低温条件下被诱导, 在受到热
激、高盐、干旱、机械创伤、污染和ABA等胁迫时也
能产生(Hajela et al., 1990; Hincha, 1994; Keller and
Stefen, 1995; Mantyla et al., 1995; Zhang and
Jenning, 1995; Didierjean et al., 1996)。另外, 并不
是所有COR基因都能被除低温外的其它逆境胁迫所
诱导 , 例如菠菜的pBN115基因和苜蓿的CAS18、
CAS15基因只能受低温诱导表达, 而干旱和ABA等
其它逆境因子不能诱导其表达(Kurkela and Franck,
1990)。低温胁迫处理实验表明, 天山雪莲冷调节蛋
白基因siCOR受低温胁迫诱导表达; 对转siCOR基因
的烟草进行低温胁迫处理, 发现转siCOR基因的烟草
叶片相对含水量和PSII相对量子产率的降低幅度、相
对电导率和丙二醛含量的升高幅度均低于野生型烟
草植株, 而且转siCOR基因烟草植株叶片出现萎蔫症
状的时间较迟、程度较轻, 受到的伤害也较轻(郭新勇
等, 2012)。可见, 在低温胁迫条件下, 转siCOR基因
烟草植株表现出良好的生理和生长优势, 显示出了较
强的抗寒特征。为了验证siCOR的表达是否同时受低
温和干旱胁迫诱导, 本研究采用PEG6000模拟干旱
胁迫处理天山雪莲, 并对其siCOR基因的表达进行半
定量RT-PCR分析。结果显示, 随着PEG6000模拟干
旱胁迫处理时间的延长, siCOR基因的表达上调, 表
明siCOR不但受低温胁迫诱导, 还受干旱胁迫诱导,
暗示其可能在低温和干旱胁迫响应过程中具有一定
的作用。
通过对大量CORPs的结构分析表明, CORPs结
构显示出一定的相似性, 具有富含亲水性氨基酸的一
级结构(王艇和唐振亚, 1997)和以α-螺旋为主的二级
结构且含有重复单元。这就决定了CORPs具备很高
的柔韧性、流动性、亲水性和热稳定性。另外, CORPs
普遍分布于植物不同发育阶段的不同组织和器官中,
这种分布的特殊性很可能与其具有多种不同功能密
切关联(Dure et al., 1989; Kazuoka and Oeda, 1992;
Marttila et al.,1996; Liu et al., 2000)。利用DNAMAN
软件对siCOR基因编码的氨基酸序列进行跨膜区、信
号肽和疏水性分析发现, 该基因编码的蛋白富含赖氨
酸、丙氨酸、谷氨酸等亲水性氨基酸(郭新勇等, 2012),
这与低温诱导蛋白和干旱相关蛋白在氨基酸序列上
含有高含量的亲水性氨基酸是一致的; siCOR蛋白中
存在4个跨膜区, 其N端前65个氨基酸残基组成一个
信号肽, siCOR蛋白的N端亲水性强, 而C端却具有较
强的疏水性, 这些特点正好符合质膜蛋白分子的结构
特征(郭新勇等, 2012)。这种结构特点保障了siCOR
蛋白具有高度的柔韧性和流动性, 使蛋白分子可以在
各个方向上拉伸、弯曲, 保护细胞的结构, 特别是使
膜系统在冷冻和干旱胁迫时免遭严重脱水的伤害。
在干旱少雨的地区长期生长的植物, 为了抵抗水
分胁迫, 适应缺水环境, 它们在形态上发生了一定程
度的改变, 从而保持正常的生长。以禾本科植物为例,
植株叶片长且窄、小而浓绿, 茎秆和叶片的夹角小,
干旱时叶片卷曲等形态结构指标可以很好地体现植
株的抗旱能力(Townley-smith and Hurd, 1979; van
Oosterom and Acevedo, 1992)。在对小麦抗旱品种
的选育中发现, 在一定范围内, 植株的高度与其抗旱
性呈正相关(胡荣海, 1989)。我们对siCOR转基因植
株与野生型烟草的形态进行对比发现, 转基因植株长
势优于野生型烟草, 主根粗壮, 侧根发达, 叶片变得
窄且长、颜色浓绿, 叶和茎的夹角较小, 开花较早(郭
新勇等, 2012)。
植株的水分生理指标如叶片相对含水量、压力势
和水势与植株水分状况和萎蔫情况有着密切的联系
(柴守玺, 2000)。相关研究表明, 在水分胁迫条件下,
水稻(Oryza sativa)叶片相对含水量、压力势和水势的
下降速度慢, 幅度小, 说明该品种能够保持良好的水
分平衡, 具有较强的抗旱性; 反之, 则说明此品种的
叶片生长受到严重抑制(韩建民, 1990)。植株叶片的
保水力和失水速率反映了细胞束缚水和自由水的情
郭新勇等: 天山雪莲冷调节蛋白基因 siCOR 转化烟草植株的抗旱性分析 117
况, 也就是说叶片保水力强、失水速率低的植株具有
较好的抗旱性(Regan et al., 1993)。本研究发现, 在
水分胁迫实验中, 随着胁迫时间的延长, 野生型和转
基因烟草的叶片相对含水量都有所下降, 但野生型烟
草的下降幅度和速度明显大于转基因烟草, 这表明过
量表达siCOR基因的烟草对水分胁迫具有较好的
抗性。
干旱胁迫首先伤害的是原生质膜(曾群望和杨双
兰, 1993), 丙二醛是膜脂过氧化的产物, 作为抗逆指
标广泛运用在烟草的抗旱性研究中(赵会杰等, 1993;
汪耀富等, 1994; 覃鹏等, 2004)。研究表明, 丙二醛
含量会随着干旱胁迫处理时间的延长而增加, 与干旱
胁迫强度呈正比关系(李继新等, 2008)。本研究发现,
在水分胁迫实验中, 随着胁迫时间的延长, 野生型和
转基因烟草的MDA含量都呈上升趋势, 但野生型烟
草MDA含量的上升幅度和速度明显大于转基因烟草。
细胞质膜受伤害程度的大小和植株的抗旱能力
有密切的联系, 一般通过相对电导率值的大小来衡量
膜受伤害的程度(路贵和和安海润 , 1999; 孙彦等 ,
2001)。本研究发现, 在水分胁迫实验中, 随着胁迫时
间的延长, 野生型和转基因烟草的受伤害率都上升,
但野生型烟草伤害率上升的幅度和速度明显高于转
基因烟草, 这表明转基因烟草对水分胁迫具有较好的
耐受性。
水分胁迫下具有良好抗旱性的植株能够保持高
的光合速率。这一点在小麦、玉米(Zea mays)、水稻
和棉花(Gossypium hirssittum)上都已经得到证实。
如对干旱胁迫下不同时期小麦光合速率进行研究发
现, 光合速率可以很好地反映小麦的抗旱能力(李德
全等, 1990, 1991, 1992, 1996)。干旱胁迫伤害假俭
草(Eremochloa ophiuroides)的光合系统II, 在干旱胁
迫下, 假俭草的最大荧光参数(Fm)、可变荧光参数
(Fv)、PSII最大光化学量子产率(Fv/Fm)等均有所下降
(代微然等, 2010)。本研究发现, 在水分胁迫实验中,
随着胁迫时间的延长, 野生型和转基因烟草的Fv/Fm
值都有所下降, 但转基因烟草的下降幅度显著低于野
生型烟草。可见在水分胁迫条件下siCOR基因的过量
表达减轻了烟草叶片PSII受到的逆境伤害。
在干旱胁迫条件下种子发芽率与其幼株抗旱能
力的关系, 尤其是种子的萌发力是否可以作为幼株抗
旱能力的指标, 目前还存在分歧。对不同品种的高粱
(Sorghum vulgare)种子进行PEG模拟干旱胁迫实验,
结果发现具有强抗旱性的品种的种子发芽率高于抗
性弱的品种, 即高粱种子的发芽率与其抗旱性呈正相
关(Saint-Clair, 1976)。对不同品种牧草种子在干旱胁
迫条件下的发芽率实验表明, 种子的发芽率与其抗旱
性呈负相关(Sharman, 1973)。对不同品种苜蓿种子
的发芽率实验则显示, 种子的发芽率与其抗旱性无
关, 同时指出种子的发芽能力并不能反映植株在大田
里的抗旱能力(Younis et al., 1963)。
植株的根系状态直接影响其抗旱性。发达根系可
以通过增强其吸水性并增大吸水面积来降低干旱对
植株的伤害。植株抗旱性的基本特征之一就是具有发
达的根系; 根系长度和密度的增加可以提高植株的吸
水能力(朱维琴等, 2002)。本研究对转基因幼苗进行
PEG6000模拟干旱胁迫实验, 发现随着PEG6000浓
度的不断增加, 野生型和转基因幼苗的根长都变短,
但野生型幼苗根长变短的幅度和速度明显大于转基
因幼苗。表明转基因烟草对干旱胁迫具有较强的
抗性。
综上所述, 天山雪莲冷调节蛋白基因siCOR具有
一定的抗旱功能。这为今后进一步研究和利用该基因
以及雪莲种质资源的开发利用提供了一定的理论基
础和实验依据。该基因是否还具有抗其它胁迫能力,
如抗盐性、抗氧化性等仍需进一步研究。
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Drought-tolerance Analysis of Tobacco Plant Transformed with
Sasussured involucrata siCOR Gene
Xinyong Guo, Chen Cheng, Aiying Wang, Yuxing Zhang, Zhong Wang, Na Yu, Jianbo Zhu*
Key Laboratory of Agricultural Biotechnology, College of Life Science, Shihezi University, Shihezi 832003, China
Abstract Cold-regulated proteins (CORPs) are induced by cold and thus closely related with cold tolerance. Most
cold-induced genes may respond to water stress. We used RT-PCR to confirm that cold-induced siCOR in Sasussured
involucrata was also induced by water stress. To investigate the possible role of S. involucrata siCOR in drought toler-
ance, we performed the drought-tolerance analysis using siCOR transgenic tobacco. Compared with untransformed
wild-type (WT) plants, transgenic lines had greener leaves and more roots. Water stress experiments showed transgenic
lines with delayed and slightly wilted leaves, but they recovered faster and more completely after rewatering as compared
with WT plants. Transgenic lines also showed lower reduction of relative water content and relative quantum yield of PSII
and smaller increase of relative conductivity and malondialdehyde content as compared with WT plants. Under drought
stress simulated with PEG6000 treatment, transgenic T3 seeds showed higher germination rate and reduced inhibition of
main root growth than WT. These results suggested that siCOR may play an important role in drought stress.
Key words drought tolerance, Sasussured involucrata, siCOR gene, tobacco
Guo XY, Cheng C, Wang AY, Zhang YX, Wang Z, Yu N, Zhu JB (2012). Drought-tolerance analysis of tobacco plant
transformed with Sasussured involucrata siCOR gene. Chin Bull Bot 47, 111–119.
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* Author for correspondence. E-mail: zjbshz@163.com
(责任编辑: 刘慧君)