全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (12): 1889~1898　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0451 1889
收稿 2014-10-13　　修定 2014-11-20
资助 国家转基因生物新品种培育科技重大专项子课题(2014ZX0801008B-002)、国家转基因生物新品种培育科技重大专项子课题
(2014ZX08010-003)和贵州省科技厅转基因专项(黔科合2004NZ004)。
* 通讯作者(E-mail: dgzhao@gzu.edu.cn; Tel: 0851-3863615)。
转玉米ZmSDD1基因烟草降低气孔密度提高抗旱性
刘延波1,2, 项阳1,3, 秦利军1,2, 赵德刚1,2,3,*
贵州大学1农业生物工程研究院, 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室, 2绿色农药与农业生物工程国
家重点实验室培育基地, 3生命科学学院基因工程实验室, 贵阳550025
摘要: 为了培育抗旱的烟草新品种并研究玉米SDD1基因(ZmSDD1)的功能, 从玉米中同源克隆到ZmSDD1, 构建了含有玉米
Ubiquitin启动子驱动的ZmSDD1基因的植物表达载体pGM626-Ubi-ZmSDD1-ABt, 并利用叶盘转化法遗传转化烟草, 筛选获
得转基因植株。经反复干旱处理发现, 转Ubiquitin::ZmSDD1基因烟草存活率比野生型高80%, 转基因植株中PRO含量以及
POD和SOD活性均显著高于野生型烟草植株, MDA含量则低于野生型植株。转ZmSDD1基因烟草植株和野生型植株的气
孔导度、细胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率在干旱后都有所下降, 但转基因植株的净光合速率极显著高于野生型。转Ubiq-
uitin::ZmSDD1烟草植株叶片表面气孔数较野生型相比减少50%。Real-time PCR结果显示转基因烟草和野生型相比负调控
气孔密度的ZmSDD1基因和MAPK3基因表达量均极显著上调, 正调控气孔密度的FAMA基因极显著下调。结果说明, 转
ZmSDD1植株比野生型植株抗旱的原因是由于ZmSDD1基因负调控了气孔发育相关基因的表达从而使气孔密度降低, 减少
蒸腾作用, 减少水分散失从而提高抗旱性。
关键词: 烟草; 气孔密度; ZmSDD1; 抗旱
Improvement of Drought Tolerance in Transgenic Tobacco Expressed Maize
ZmSDD1 by Reducing Stomatal Density
LIU Yan-Bo1,2, XIANG Yang1,3, QIN Li-Jun1,2, ZHAO De-Gang1,2,3,*
1Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region (Ministry of Education), Insti-
tute of Agro-Bioengineering, 2State Key Laboratory Breeding Base of Green Pesticide and Agricultural Bioengineering, 3Genetic Engi-
neering Laboratory in College of Life Sciences, Guizhou University, Guiyang 550025, China
Abstract: In this study, a ZmSDD1 gene derived from Zea mays was cloned by homology-based cloning meth-
od. The plant expression vector, named by pGM626-Ubi-ZmSDD1-ABt, contained Z. mays Ubiquitin promot-
er-driven ZmSDD1 was constructed for studying the function of the gene. The transformation method mediated
by Agrobacterium was executed to genetically transform the tobacco leaf disks. In addition to, the results from
the repeated drought experiments indicated that the survival rate was about 80% higher in transgenic tobacco
plants than wild-type plants. By the enzyme activity of SOD and POD and the content of PRO and MDA deter-
mined after drought, we concluded that the transgenic plants could bear the drought stress by increasing SOD
and POD enzyme activity and PRO content. The stomatal conductance, intercellular CO2 concentration and
transpiration rate were decreased in transgenic and wild-type plants, but net photosynthetic rate was significant-
ly higher in transgenic plants than wild-type ones. Results from microscopic observation found that the stomatal
number in transgenic tobacco plants decreased 50% compared with the wild-type ones. Meanwhile, the relative
expression of the genes in stoma development-related were analyzed and the results showed that the relative ex-
pression of two genes, MAPK3 and ZmSDD1 which was negative correlation with stomatal development, were
up-regulated obviously, while the FAMA gene of positive correlation with the development reported was signifi-
cantly down-regulated simultaneously. To sum up, the ZmSDD1 transgenic tobacco plants could resist drought
stress by decreasing the stomatal density of leaf surface and transpiration.
Key words: tobacco; stomatal density; ZmSDD1; drought tolerance
植物生理学报1890
我国烟草总产量居世界首位, 在国民经济中
占有重要地位。由于水分的限制, 我国每年有大
量地区的烟叶产量、质量受到影响。干旱是影响
烟草正常生长发育、烟叶品质和产量的一个重要
影响因子(Holmström等1996)。在干旱胁迫下, 烟
叶的产量下降, 中上等烟比例减少, 烟叶内还原糖
含量下降, 烟碱和总氮含量升高, 烟叶内在化学成
分比例失调(于建军和汪旭富1993)。此外, 在干旱
胁迫下, 烟叶中主要香气物质含量减少且香气物质
变差, 甚至使烟叶失去其利用价值(韩锦峰等1994),
可见水分已成为烟叶生产的主要限制因子, 提高
水分利用率成为最迫切的需求(王军等2004)。
植物约90%水是通过气孔蒸腾作用散失的,
研究气孔具有重要的意义(Schroeder等2001)。气
孔密度和分布(stomatal density and distribution)相
关基因SDD1首先在拟南芥(Arabidopsis thaliana)
中被发现, 它编码丝氨酸蛋白酶, 是气孔发育相关
的重要元件之一(Berger和Altmann 2000)。SDD1
属枯草杆菌蛋白酶(subtilase)家族, 其编码基因是
拟南芥subtilases家族56个成员中唯一有表型改变
的功能基因(Rautengarten等2005)。在拟南芥突变
体stomatal density and distribution1-1 (sdd1-1)中由
于缺乏SDD1蛋白, 因此建立起来的气孔模式是断
裂的, 导致气孔密度增加2~4倍(Schlüter等2003);
相反在野生型拟南芥中过表达SDD1基因导致的表
型和sdd1-1突变体完全相反, 减少了2~4倍的气孔
密度(von Groll等2002)。在中国传统中草药菘蓝
(Isatis indigotica)中分离的菘蓝SDD1 (IiSDD1)和
拟南芥SDD1 (AtSDD1)有高度同源性, IiSDD1不仅
参与应激敏感通路 , 还可能和多倍体进化有关
(Xiao等2010)。在拟南芥上gtl1 (GT-2 LIKE 1)突变
体通过减少日间的蒸腾作用且生物量没有减少的
情况下, 提高了水分利用率, 增强了抗旱性。蒸腾
减少的的原因是GTL1基因负调控AtSDD1, 在gtl1
突变体中AtSDD1基因大量表达从而导致减少25%
的气孔密度(Yoo等2010)。
传统育种技术在选育抗旱烟草品种应用中发
挥了积极的作用, 但其周期较长, 耗时费力(Zhou等
2014)。近年来, 利用转基因技术将抗旱相关基因
转入烟草, 增强烟草的抗旱能力有着广阔的应用
前景 , 也是未来烟草抗旱育种的一个发展趋势
(Basu等2010; 赵文军等2012)。通过构建含有
ZmSDD1的载体, 将其遗传转化烟草, 研究ZmSDD1
基因的功能及抗旱特性, 从而提高烟草产量和水
分利用效率, 进而培育抗旱新品种, 也为其他农作
物的抗旱分子育种和品种改良奠定了分子基础。
材料与方法
1 材料
普通烟草(Nicotiana tabacum L. cv. ‘Xanthi’)
种子由本研究院保存并提供; 新型植物DNA提取
试剂盒购自TIANGEN BIOTECH公司; 限制性内
切酶SpeI酶、Premix Taqver 2.0 plus dye和DNA
2000 Marker Ladder均购于TaKaRa宝生物工程(大
连)有限公司; MultiScribeTM Reverse Transcriptase
Kit和Power SYBR® Green PCR Master Mix购于Ap-
plied Biosystems Inc; Plasmid Mini Kit I及Plant
RNA Kit购于OMEGA Bio-Tek Inc; DNA回收试剂
盒、Kanamycin、Rifampicin、Glufosinate、Biala-
phos、BASTA、Timentin均购自Sigma公司 ;
ZmSDD1检测引物和其他Real-time PCR相关引物
均由Invitrogen公司合成; Southern blotting检测试
剂盒(DIG High Prime DNA Labeling和Detection
Starter Kit II)购自Roche公司; 过氧化物酶(POD)、
超氧化物歧化酶(SOD)、丙二醛(MDA)和脯氨酸
(PRO)测试试剂盒均购于南京建成生物工程研究
所。
2 方法
2.1 载体构建
用SpeI酶分别酶切Ubiquitin-ZmSDD1-3′UTR
和质粒pGM626-ABt (9018), 然后用T4 DNA连接酶
连接, 即获得表达载体pGEM626-Ubi-ZmSDD1-
ABt (图1)。该载体含有玉米Ubiquitin启动子驱动
ZmSDD1基因表达的元件, Actin启动子驱动的Bt基
因和Ubiquitin启动子驱动Bar::GUS融合基因作为
筛选标记基因和报告基因。
2.2 烟草遗传转化
利用冻融转化法将载体p G E M 6 2 6 - U b i -
ZmSDD1-ABt分别转入农杆菌EHA105, 以叶盘转
化法(Horsch等1985)对烟草叶片受体进行遗传转
化。取新鲜烟草叶片经灭菌消毒处理后, 切成0.5
cm×0.5 cm小叶块, 置于携带有植物表达载体的农
杆菌菌液(OD600=0.5~0.6)中进行侵染。10 min后用
无菌滤纸吸去多余的菌液, 将烟草叶块接种于共
刘延波等: 转玉米ZmSDD1基因烟草降低气孔密度提高抗旱性 1891
图1 植物表达载体pGEM626-Ubi-ZmSDD1-ABt
Fig.1 The plant expression vector pGEM626-Ubi-ZmSDD1-ABt
培养基MS1 (MS+0.1 mg·L
-1 NAA+1.0 mg·L-1 6-BA)
上, 28 ℃黑暗培养2 d。共培养后的叶块转移至脱
菌筛选培养基MS2 (MS+0.1 mg·L
-1 NAA 1.0 mg·L-1+
6-BA+1.0 mg·L-1 PPT+150 mg·L-1 Timentin)上, 温度
25 ℃、光照时间16 h·d-1培养2周, 以诱导抗性芽分
化。待抗性芽长至1 cm左右后, 切下并转接到生根
培养基MS3 (1/2MS+0.l mg·L
-1 IAA+1.0 mg·L-1
PPT+100 mg·L-1 Timentin)上诱导抗性芽生根。抗
性苗长至3~5 cm时, 移栽于含培养基质(园土:Haw-
ita泥炭土:珍珠岩=3:1:1)的花盆中生长, 每盆施3 g
复合肥(N:P2O5:K2O=15:10:10)。
2.3 抗性烟草植株鉴定
筛选的抗性烟草植株生长至3~5叶期时, 剪取
少量叶片进行GUS组织化学染色 (Jefferson等
1987), 在体视显微镜下观察染色结果。按TIAN-
GEN BIOTECH公司的新型植物总DNA提取试剂
盒步骤分别提取GUS阳性烟草植株和野生型植株
的基因组DNA, 用于转基因植株PCR鉴定。设计
ZmSDD1基因特异引物(5′-TGGTGTACAATAAG-
GGCATCCGTG-3′, 5′-AGATGTTAAACTCTGAC-
CGCCGCT-3′, 产物504 bp, 退火温度52.3 ℃)和Bt
引物 ( 5 ′ - T G C C C T TA C A A C C G C TAT T C - 3 ′ ,
5′-GCAAATTTGAGGAGGTTCCA-3′, 产物773 bp,
退火温度60 ℃)对植株进行检测。按照以下程序
进行扩增: 94 ℃ 5 min; 94 ℃ 30 s, 52.3 ℃ (60 ℃)
30 s, 72 ℃ 45 s, 35个循环; 72 ℃延伸7 min; 4 ℃保
温。反应完毕, 取5 µL扩增产物在含Gelred的1%琼
脂糖凝胶中电泳, 紫外灯下检测结果。提取叶片
总DNA, 用EcoRI和HindIII对基因组DNA进行完全
酶切, 按试剂盒说明书步骤进行Southern杂交。
2.4 转基因烟草抗旱性鉴定
用反复干旱法测定转基因烟草的抗旱性(Cai
等2014)。分别选取正常生长的5~8叶期的转基因
烟草和野生型烟草各20株移栽到含有营养土的花
盆中, 温室内正常生长条件下(光照时间16 h·d-1, 温
度29 ℃)培育2周。然后停止浇水2周后复水1次,
共进行3次45 d。观察植株的抗旱表现并统计转基
因和野生型植株的存活率并拍照, 叶片萎蔫、枯
竭死亡的则被认定为死亡植株。取5~8叶期的转
基因烟草和野生型烟草叶片(1 g)放在吸水纸上, 每
隔1 h测定其鲜重(FW), 共测定24 h, 计算离体叶片
失水率(Yan等2014)。
2.5 转基因烟草抗旱生理生化指标测定
分别参照MDA、PRO、SOD和POD试剂盒说
明书测定转基因和野生型烟草倒4叶的MDA和
PRO含量、SOD和POD活性, 每个样品重复3次。
2.6 转基因烟草抗旱的光合指标测定
分别选取转基因和野生型烟草倒4叶, 利用LI-
6400便携式光合作用测定系统, 在上午9:00~12:00
以LI-6400-02B红蓝光光源测定, 选择晴天连续测
定2 d, 重复测定3次。通过开放式气路, 设定温度
为25 ℃, CO2浓度为400 μmol·mol
-1, 空气相对湿度为
50%~70%, 设定光强梯度为2 000、1 500、1 000、
500、200、100、50、20、0 µmol·m-2·s-1。测定叶片
在每一光强下的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、
胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr) (Purohit等2002)。
2.7 显微镜观察转基因烟草植株
分别取6~8叶期转基因和野生型烟草同样大
小的叶片2份, 一份用镊子将其叶片表皮撕开, 保
证其连续性, 放在载玻片上, 盖上盖玻片用光学显
微镜选取样本叶片5个不同部位观察气孔数目, 另
一份用戊二醛固定然后用扫描电镜观察。气孔密
度观察参照de Carvalho等(2005)方法, 以气孔数目
个·mm-2表示气孔密度, 每组重复3次。
2.8 转基因烟草植株的气孔发育关键酶基因Re-
al-time PCR分析
根据NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov)数据
库中报道的ZmSDD1、烟草MAPK3和FAMA基因
植物生理学报1892
序列, 设计各基因引物, 以烟草β-actin基因作为内
参(表1)。
分别选取转基因烟草与野生型烟草从底端向
上数的第4片叶0.2 g, 按OMEGA公司植物总RNA
提取试剂盒步骤提取烟草植株总RNA并反转录为
cDNA, 利用SYBR Green I实时定量PCR染料法分
别对选取的转基因株系与野生型植株的气孔发育
相关基因的表达量进行分析比较。参照ABI公司
提供的仪器使用说明, 每个样品设置3个平行重
复。
2.9 统计分析
数据分析采用Microsoft Excel 2003软件, 分别
计算均值及标准误差 , 并绘制图表。采用SPSS
13.0统计软件进行t检验。图中标注的“*”和“**”分
别表示所测定项目在转基因与野生型烟草之间差
异显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。
实验结果
1 农杆菌介导烟草遗传转化与转基因植株获得
以烟草叶片为外植体, 通过农杆菌介导的共
转化法将含有pGEM626-Ubi-ZmSDD1-ABt的农杆
菌菌液对烟草进行转化, 共培养2 d后转入脱菌筛
选培养基上培养2~3周, 烟草叶缘出现绿色的愈伤
组织后, 再经继代培养诱导产生抗性芽, 将1 cm左
右的抗性芽切下于生根培养基上诱导生根, 待再
生苗长至3~5 cm后炼苗并移栽至营养土中培养, 共
获得50株抗性植株(图2)。
在植株3~5叶期选取抗性植株和野生型植株
的叶片进行GUS组织化学染色, 结果说明GUS基因
在抗性植株中表达 , 而野生型植株中未检测到
GUS活性(图3-A)。分别提取野生型和5个独立抗
性株系的DNA, 以ZmSDD1基因引物和Bt基因引物
进行PCR扩增, 在5个转化株系中都分别扩增出预
期504 bp的ZmSDD1 (图3-B)和773 bp的Bt基因(图
3-C)目的条带, 在野生型烟草植株中未扩增出目的
条带, 说明已经获得转ZmSDD1基因烟草。通过统
计共获得31株转基因烟草植株。对其中部分植株
进行ZmSDD1基因的Southern blotting分析, 证明所
构建的连锁遗传的外源基因已成功整合到烟草基
因组中, 不同植株的外源基因拷贝数不同, 3个株系
分别检测到了1~3条杂交带(图3-D)。
2 转ZmSDD1基因烟草植株抗旱性增强
选择转基因和野生型烟草各20株, 经3次反复
干旱45 d后, 统计植株存活率的结果表明, 转基因
烟草存活18株, 死亡2株, 平均存活率为90%, 野生
型存活2株, 死亡18株, 存活率为10%, 转ZmSDD1
基因烟草比野生型烟草存活率高80% (图4-B)。干
旱30 d后, 转基因烟草叶片的枯萎程度要弱于野生
型(图4-A)。通过测定离体叶片失水率发现转基因
烟草叶片的失水率比野生型显著减少(图4-C)。以
上数据表明转ZmSDD1基因烟草在干旱后和野生
型相比显著提高了抗旱能力。
3 干旱对转ZmSDD1基因烟草理化指标和光合指
标的影响
通过测定发现, 干旱30 d后转ZmSDD1基因烟
草植株的POD (图5-A)和SOD活性(图5-B)以及
PRO含量(图5-D)均显著高于野生型植株, 而MDA
含量显著低于野生型植株 (图 5 - C )。提示转
ZmSDD1基因烟草能显著提高植株在干旱胁迫下
的抗氧化能力。
表1 气孔发育相关基因Real-time PCR引物序列
Table 1 Primers of Real-time PCR for stromal development-related genes
基因名称 GenBank登录号 引物序列(5′→3′)
ZmSDD1 NM_001137303.1 TGTGCTCCTCCTTCTCTTCTTCATCG
TTCAGGTAGACAATGTAGGTAGCCGC
烟草MAPK3 JX076821.1 GCCTCGTATGTGCTGCTATAA
TGTTCCATGTGCCGAAGTAG
烟草FAMA XM_004240165.1 TGAGGAAGTTGAGAGCCAAAG
CAGGCATGAGAGACCTCAATAC
烟草β-actin AB158612 GATCTTGCTGGTCGTGATCT
ACTTCCGGACATCTGAACCT

刘延波等: 转玉米ZmSDD1基因烟草降低气孔密度提高抗旱性 1893
图2 烟草的遗传转化
Fig.2 Process of tobacco genetic transformation
A: 共培养; B: 筛选培养; C: 抗性愈伤组织分化; D: 抗性芽分化; E: 抗性苗形成; F: 抗性苗移栽。
光合生理指标测定结果表明, 转ZmSDD1基因
烟草植株和野生型植株的气孔导度(图5-F)、胞间
二氧化碳浓度(图5-G)和蒸腾速率(图5-H)在干旱后
都显著下降。其中野生型气孔导度为0.0501 mol
(H2O)·m
-2·s-1, 转基因为0.0349 mol (H2O)·m
-2·s-1。
野生型蒸腾速率为1.762 mmol (H2O)·m
-2·s-1, 转基
因为0.796 mmol (H2O)·m
-2·s-1。但转基因烟草净光
合速率为7.67 μmol (CO2)·m
-2·s-1, 野生型仅为4.39
μmol (CO2)·m
-2·s-1 (图5-E)。
4 转ZmSDD1基因烟草植株气孔减少且影响气孔
发育相关基因的表达
通过光学显微镜观察, 叶片放大100倍的视野
内野生型烟草有42个气孔(图6-A), 而转基因烟草
植株中仅有21个(图6-B)。放大200倍观察野生型
气孔为13个(图6-C), 转基因为6个(图6-D)。扫描电
镜观察显示, 野生型烟草的气孔为3个(图6-E), 而
转基因烟草的气孔为1个(图6-F)。经过统计转基
因和野生型烟草相比气孔密度下降约50% (图
6-G)。
研究发现转基因烟草的ZmSDD1基因表达量
比野生型烟草上调了4.8倍(图6-H), 气孔发育信号
通路的基因MAPK3表达量升高了2.1倍(图6-I)。
FAMA基因表达量则下调了0.5倍(图6-J)。说明转
基因烟草和野生型烟草相比气孔密度下降的原因
植物生理学报1894
图4 转ZmSDD1基因烟草植株的抗旱性分析
Fig.4 Analysis of drought-resistance of ZmSDD1 transgenic tobacco plants
A: 转基因烟草和野生型烟草干旱处理后植株对比; B: 转基因烟草和野生型烟草存活率对比; C: 转基因烟草和野生型烟草离体叶片失
水率对比。
图3 抗性植株的GUS染色、PCR鉴定及转基因植株Southern blotting分析
Fig.3 GUS staining and PCR identification of herbicide-resistance plants and Southern blotting of transgenic plants
A: GUS染色鉴定抗性植株; B: ZmSDD1基因的PCR鉴定(M为分子量标准, P为阳性对照, 1~5分别代表不同的株系); C: Bt基因的PCR
鉴定(M为分子量标准, P为阳性对照, 1~5分别代表不同的株系); D: ZmSDD1基因的Southern杂交鉴定(P为阳性对照, 1~3分别代表不同的株
系)。WT: 野生型植株(wild type); TP: 转基因植株(transgenic plant)。
刘延波等: 转玉米ZmSDD1基因烟草降低气孔密度提高抗旱性 1895
图5 转ZmSDD1基因烟草的抗旱生理生化特征和光合生理特征变化
Fig.5 The changes of physiological indexes and photosynthetic characteristics of ZmSDD1 transgenic tobacco plants
可能是ZmSDD1基因调控了气孔发育相关基因的
表达。
讨　　论
干旱条件下植物体内自由基产生和清除的平
衡被打破, 植物体内会大量积累自由基, 导致膜脂
过氧化, 造成酶的失活、蛋白质分解及细胞组分
的损伤, 影响植物的正常生长发育(陈善福和舒庆
尧1999)。植物体内的SOD和POD对自由基的清除
起重要作用, 植物抗旱性越强SOD和POD活性上
升幅度越大, 活性下降越多其抗旱性也越差(周瑞
莲和王刚1997; 祁云枝和杜勇军1997)。因此SOD
植物生理学报1896
图6 转ZmSDD1基因烟草植株气孔观察和相关基因表达量变化
Fig.6 The observation of stomatal number and change of related gene expression of ZmSDD1 transgenic tobacco plants
A、B: 野生型烟草(A)和转基因烟草(B)在光镜100倍视野下观察结果; C、D: 野生型烟草(C)和转基因烟草(D)在光镜200倍视野下观
察结果; E、F: 野生型烟草(E)和转基因烟草(F)在电镜下观察结果; G: 转基因烟草和野生型烟草气孔密度统计; H: ZmSDD1基因相对表达
量; I: MAPK3基因相对表达量; J: FAMA基因相对表达量。
和POD可以反映植物抗旱胁迫的能力(陈善福和舒
庆尧1999)。本研究发现抗旱性较强的转ZmSDD1
烟草POD和SOD活性均高于野生型植株(图5-A、
B), 这与前人研究结果一致(王建华等1989; 袁有波
等2009)。MDA是膜质过氧化累积产物, 可以破坏
核酸结构、使蛋白质失活, 所以MDA含量是检测
膜脂过氧化程度的一个公认的指标 (王爱国等
1986)。抗旱性强的品种, 其MDA含量增加相对较
慢, 增幅较小, 而抗旱性弱的增加幅度较大。本研
究发现转ZmSDD1烟草MDA含量增幅显著低于野
生型植株(图5-C), 与文建成等(1998)和覃鹏等
(2005)研究结果一致。脯氨酸是有效的有机渗透
调节物质。能够增加植物忍耐干旱胁迫和延缓缺
水胁迫的加剧。在干旱条件下, 脯氨酸积累的增
加可以减少失水, 因此可以作为植物抗旱的生理
指标应用于鉴别植物品种的抗旱性(汤章城1984;
Liu和Zhu 1997)。即干旱下抗旱品种比不抗旱品
种积累更多的脯氨酸, 本研究中转ZmSDD1烟草
PRO含量高于野生型植株(图5-D), 这与彭志红等
(2002)和Du等(2014)的研究结果一致。转ZmSDD1
烟草增强了细胞保护酶的活性并增加了脯氨酸的
含量, 从而对细胞膜及原生质体产生保护作用, 增
强膜的稳定性, 降低了膜脂过氧化产物MDA的含
量, 减轻膜脂过氧化程度, 减缓了干旱胁迫下细胞
膜的损伤, 提高烟草抵抗干旱胁迫的能力。
本研究中发现转ZmSDD1烟草比野生型烟草
气孔密度下降了约50% (图6-A~G)。相似的结果
在过表达AtSDD1基因的拟南芥中也被发现(von
Groll等2002)。Yoo等(2010)在负调控AtSDD1基因
的gtll (GT2LIKE1)拟南芥突变体中发现AtSDD1基
刘延波等: 转玉米ZmSDD1基因烟草降低气孔密度提高抗旱性 1897
因可减少气孔数量。在拟南芥中 , A tSDD1、
MAPK3/6 (MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KI-
NASE 3/6)等都负调控气孔的发育, 而3个结构相似
的bHLH转录因子SPCH、MUTE和FAMA促进气
孔发育, 分别调控着气孔发育的“三步转录级联反
应” (three-step transcriptional cascade), 其中FAMA
控制保卫细胞母细胞GMC向保卫细胞的转变(Pil-
litteri等2007; Lampard等2008; Wang等2007)。我们
通过实验发现转ZmSDD1基因的烟草气孔发育相
关基因MAPK3显著升高(图6-I), FAMA显著下降(图
6-J), 暗示转ZmSDD1基因烟草引起气孔密度下降
的原因是调控了气孔发育相关基因的表达, 也进
一步提示烟草和拟南芥可能具有相同的气孔发育
相关信号通路。
干旱胁迫下烟草植株吸水减少, 光合速率下
降, 造成植株生长减缓, 干物质积累减少。本文获
得的转ZmSDD1基因烟草在干旱情况下通过降低
气孔密度(图6-G)、降低气孔导度(图5-F)、减少蒸
腾作用(图5-H)从而减少水分的散失。同时还发现
转ZmSDD1基因烟草和野生型相比在干旱后具有
较高的净光合速率(图5-E)。这与Yoo等(2010)研究
结果一致。说明ZmSDD1基因表达不仅可以提高
植株抵御干旱胁迫的能力。还能保持较高的光合
速率。综上所述, ZmSDD1基因具有较强的抗旱功
能, 本研究为促进烟草产业发展、增强烟草适应
干旱环境的能力提供了一条有效的研究途径。为
下一步ZmSDD1基因转化其他农作物并获得抗旱
新种质提供基础, 将会在农业生产中有非常广泛
的应用价值。
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