全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (11): 2054~2062　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.05232054
收稿 2015-09-23　　修定 2015-11-02
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和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: 0851-83863615)。
转TPS1基因促进干旱胁迫条件下的花青素积累提高玉米植株抗旱性
项阳1, 刘延波1, 赵德刚1,*, Yi Li2
1贵州大学生命科学学院, 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, 贵阳550025;
2Department of Plant Science and Landscape Architecture, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
摘要: 以不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件, 研究转TPS1基因玉米植株抗旱性增强的原因。结果表明, 随着干旱
胁迫加重, 野生型和转基因玉米植株的叶片相对含水量和耐旱系数逐渐降低; 但转基因玉米植株叶片相对含水量和耐旱系
数高于野生型, 表明转基因玉米植株比野生型更抗旱。同时随着干旱加重, 野生型和转基因玉米植株花青素含量也随之增
加, 且转基因玉米植株的花青素含量高于野生型。相关性分析表明, 花青素含量与转基因玉米抗旱性增强显著相关。干旱
胁迫前, 转TPS1基因玉米植株花青素含量与野生型植株无显著差异, 而在10% PEG-6000模拟干旱胁迫条件下, 转TPS1基因
玉米植株根、茎、叶的花青素含量极显著高于野生型, 分别是野生型的8.5、5.4和1.8倍。分析调控花青素合成基因的相对表
达量结果表明, 正调控基因PL1、R1和PAC1在转基因植株根、茎、叶中表达均上调, 而负调控基因c1-I-2K1在根、茎、叶中
表达下调。表明TPS1基因的表达影响花青素合成调控基因的表达促进花青素积累, 进而提高植株抗旱性。此外, 干旱胁迫
后, 转基因植株的CAT活性比野生型高56.3%, MDA含量比野生型低36.7%, 说明TPS1基因的表达提高了玉米抗氧化能力。
关键词: 玉米; TPS1基因; 花青素; 抗旱性
Improve Drought Tolerance via Accumulating Anthocyanidin under Drought
Stress in TPS1 Transgenic Maize
XIANG Yang1, LIU Yan-Bo1, ZHAO De-Gang1,*, Yi Li2
1The Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region, Ministry of Education,
College of Life Sciences and Institute of Agro-Bioengineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2Department of Plant
Science and Landscape Architecture, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA
Abstract: In this paper, we studied mechanism of transgenic maize plants drought-resistant enhancement based
on former studies. Under different concentrations of PEG-6000 solution simulated drought stress conditions,
leaf relative water content and drought-resistant coefficient of wild type and transgenic maize plants decreased
with aggravating drought degree; and under conditions of each degree, both leaf relative water content and
drought-resistant coefficient of genetically modified maize plants was higher than wild type, which indicated
drought resistance of transgenic plants was more than wild type. At the same time, with drought aggravating,
anthocyanin content also increased in wild type and transgenic maize plants, and that of transgenic maize plants
were higher than wild type in each drought stress condition. Correlation analysis showed anthocyanin content
in transgenic plants had significantly correlated to drought resistance. Anthocyanin content in roots, stems and
leaves of wild-type and TPS1 transgenic maize plants was no significant difference before drought stress, but
that of transgenic maize was significantly higher than wild type under drought stress, representing an increase
of 8.5, 5.4 and 1.8 folds, respectively. Gene expression analysis of transcription factors that regulating anthocy-
anin biosynthesis showed that relative expression of positive regulator gene PL1, R1, PAC1 was up-regulated,
and that of negative regulator gene c1-I-2K1 was down-regulated in roots, stems and leaves of transgenic maize,
which suggested that transcription factors were influenced anthocyanin accumulation by TPS1 in roots, stems
and leaves of TPS1 transgenic maize, and then improved drought resistance of plants. Results also showed that
CAT activity and MDA content were no significant difference between transgenic plants and wild type before
项阳等: 转TPS1基因促进干旱胁迫条件下的花青素积累提高玉米植株抗旱性 2055
drought stress, but compared with wild type plants, CAT activity was increased 56.3% and MDA content was
decreased by 36.7% in transgenic plants after drought stress, which suggested TPS1 gene increased the antioxi-
dant capacity of maize result in improving maize drought resistance.
Key words: maize; TPS1 gene; anthocyanidin; drought tolerance
花青素(anthocyanidin)又叫花色素, 属于黄酮
类化合物, 是一类广泛存在于植物中的水溶性天
然色素(Pascual-Teresa和Sanchez-Ballesta 2008), 其
主要积累在植物的液泡中, 不仅是植物的主要呈
色物质(许志茹和李玉花2006), 也是植物适应环境
的重要物质(胡可等2010)。植物在干旱、低温等
逆境中会积累花青素, 这是由于花青素可以通过
降低细胞渗透势和冰点等方式来帮助植物适应逆
境(孙明霞等2003)。Mahajan和Yadav (2014)研究
发现过量表达花青素合成的关键基因CsF3H能够
提高马铃薯抗逆性, 表明花青素的合成与植物抗
逆性相关。
在干旱条件下, 增强细胞渗透调节能力的关
键是细胞内渗透调节物质的主动积累 (江龙
1999)。其中, 植物积累的花青素可通过增强细胞
渗透调节能力来提高植物的抗旱性 (孙明霞等
2003)。Sherwin和Farrant (1998)研究发现花青素积
累与复苏植物的耐旱性有关, 对复苏植物进行脱
水处理后, 其花青素含量比正常植株提高了将近3
倍, 这表明花青素积累能够有效提高植物的抗旱
性。Teng等(2005)用100 mmol·L-1的海藻糖对拟南
芥幼苗进行处理, 5 d后发现植株中花青素含量提
高了2倍以上; Gravot等(2011)发现在用浓度为20、
40、60 mmol·L-1的海藻糖处理拟南芥时, 花青素
含量均比对照含量增加, 且具有显著差异。说明
海藻糖能有效促进花青素在植株中的积累。同样,
在拟南芥中, 海藻糖诱导APL3表达后提高AGPase
的活性(Wingler等2000), 在基因诱导调控AGPase
活性的马铃薯组培苗中出现花青素的积累(白桦等
2013)。Cortina和Culiáñez-Macià (2005)将酵母
TPS1 (海藻糖-6-磷酸合成酶1, trehalose-6-phos-
phate synthase 1)基因遗传转化到番茄(Lycopersi-
con esculentum)中, 研究表明转基因番茄比野生型
更耐盐, 同时发现在盐胁迫条件下转基因番茄叶
片出现花青素积累。Antal等(2013)研究发现在马
铃薯中过表达TPS1基因时, 转基因马铃薯的花青
素含量比野生型高2倍左右。
植物中的转录因子对次生产物代谢发挥着重
要调节作用, 花青素作为次生代谢产物的终产物
之一, 转录因子对其合成具有重要的调节作用(乔
小燕等2009)。在玉米中具有编码MYB转录因子
的PL1 (Cocciolone和Cone 1993)、c1-I-2K1 (Chen
等2004)、编码bHLH转录因子的R1 (Petroni和Ton-
elli 2011)和编码WD40蛋白的PAC1 (Carey等2004)
是花青素合成相关基因的调控关键基因, 调节着
花青素的合成(闵远琴等2010)。前期我们在研究
转TPS1基因玉米抗旱性提高原因时发现, 转基因
玉米植株中SDD1表达升高导致叶片气孔密度减
少, 减少了水分蒸腾(Liu等2014), 提高了植株的抗
旱性, 同时也发现, 干旱胁迫条件下TPS1基因促进
玉米根系生长, 提高了水分利用率, 增强了抗旱性
(项阳等2015)。本文在前期研究的基础上, 进一步
探讨转TPS1基因玉米植株抗旱性增强的原因, 为
抗旱玉米新品种的培育提供理论指导。
材料与方法
1 实验材料
野生型玉米(Zea mays L.)品种为‘交51’, 转
TPS1基因玉米的种子为本研究组前期工作所获
(Liu等2014), 由贵州大学农业生物工程研究院保
存。质粒pGM626-Ubi-BG-rd29A-TPS1为贵州大学
农业生物工程研究院与康涅狄格大学合作构建并
保存, 含有Ubi-Bar::GUS-NOS和rd29A-TPS1-NOS
表达元件(Liu等2014)。K-TREH海藻糖检测试剂
盒购于爱尔兰Megazyme公司; RNA提取试剂盒购
于OMEGA公司; 反转录试剂盒和SYBR Green PCR
Master Mix均购于ABI公司; real-time PCR相关引
物均由Invitrogen公司合成。CAT和MDA测定试剂
盒均购于南京建成生物工程研究所。
2 实验方法
2.1 处理方法
参照Mohammadkhani和Heidari (2008)和吴妍
等(2010)的方法, 挑选子粒饱满、大小一致的野生
型与转基因的玉米种子, 播在装有珍珠岩的塑料
植物生理学报2056
盘中 , 置于(25±2) ℃培养箱中培养。白天光照
500~700 μmol·m-2·s-1, 光暗周期10 h (光)/14 h (暗),
空气相对湿度(RH) 60%~70%。在幼苗第3片叶子
完全展开时 , 各选取50株生长一致的植株移至
1/2Hoagland营养液, 每组10株, 分成5组。分别加
入PEG-6000溶液使其浓度为0、10%、20%、30%
和40%, 每隔1 d重新加入PEG-6000溶液, 以保证处
理浓度恒定, 干旱胁迫7 d后取样进行实验。重复
测定3次, 数据分析用SPSS 22.0和Excel进行处理。
2.2 花青素含量测定
参照王仙萍等(2013)方法进行花青素含量测
定。精确称取0.2 g样品于容量瓶中, 加入10 mL 0.1
mol·L-1盐酸乙醇溶液后置于60 ℃避光处浸提, 肉
眼观察组织完全变白后, 冷却至室温, 用0.1 mol·L-1
盐酸乙醇溶液定容至25 mL得到提取液。以0.1
mol·L-1盐酸乙醇溶液作为空白对照, 测定分别为
530、620和650 nm波长下的光密度值。根据Greey
公式计算花青素含量。花青素光密度值ODλ=(OD530–
OD620)–0.1×(OD650–OD620); 花青素含量(nmol·g
-1)=
[(ODλ/ε)×(V/m)]×1 000 000; 式中: ε为花青素摩尔
消光系数4.62×106; V为提取液总体积(mL); m为取
样质量(g)。每个处理重复测定3次。
2.3 玉米叶片相对含水量和耐旱系数测定
选取PEG-6000溶液处理浓度为0、10%、
20%、30%和40%的野生型和转基因玉米相同部
位的叶片, 参照高俊凤(2006)的方法测定其叶片相
对含水量。剪取玉米叶片, 称出叶片鲜重(m1)。放
入105 ℃烘箱中0.5 h杀青, 然后在80 ℃下烘干至恒
重, 称出叶片干重(m2)。按照公式计算叶片相对含
水量: 叶片相对含水量(%)=(m1–m2)/m1×100, 式中:
m1为叶片鲜重, m2为叶片干重。选取PEG-6000溶液
处理浓度为0、10%、20%、30%和40%的野生型
和转基因玉米各3株, 参照刘贤德等(2004)测定其
耐旱系数, 耐旱系数(%)=干旱胁迫处理(植株干重+
根干重)/正常供水处理(植株干重+根干重)×100。
2.4 玉米植株中海藻糖含量测定
选取正常处理和10% PEG-6000溶液模拟干旱
胁迫处理的野生型和转基因植株的叶片, 参照海
藻糖检测试剂盒说明书进行海藻糖含量检测, 每
组重复3次。
2.5 CAT活性及MDA含量测定
选取10% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫处理的
野生型和转基因植株相同部位的叶片, 参照南京
建成试剂盒说明书进行CAT活性、MDA含量测
定。测定样品在405和532 nm波长下的吸光值, 计
算CAT活性和MDA含量, 重复3次。
2.6 调控花青素合成相关基因的表达分析
根据NCBI数据库中报道的TPS1基因序列和
调控花青素合成的编码转录因子基因PL transcrip-
tion factor (PL1)、Myb-related Protein c1-I-2K1
(c1-I-2K1)、anthocyanidin regulator R1 (R1)和pale
aleurone color 1 (PAC1)的序列, 设计各基因的RT-
PCR扩增引物, 以玉米Actin为内参基因, 分析各基
因相对表达量。设计的引物序列见表1。
表1 调控花青素合成的转录因子real-time PCR引物序列
Table 1 Primers sequence of regulating anthocyanidin synthesis genes for real-time PCR
基因 GenBank登录号 引物序列(5′→3′)
TPS1 Y0856.1 正向: GGAATGGGTTGATAGCGTAAAGC
反向: TCTTGCTTGAAGTCTCCCGAAC
PL1 NM_001112415.1 正向: CGAAGGCAAATGGAGGGA
反向: TCCTCGTCGTAGGAGATGTT
c1-I-2K1 NM_001112540.1 正向: AACAGGTGGTCGCTGATTG
反向: CGTGCTGTTCCAGTAGTTCTT
R1 NM_001112603.1 正向: CCGCAGAGATTGCTGAAGA
反向: GTTCTTGGTGGCACTCATTTC
PAC1 NM_001158243.1 正向: TTACGCGCAGGAGTTTCT
反向: CGGTCAACACAACGTGATATG
Actin J01238.1 正向: GTATGTTGCTATCGAGGCTGTTC
反向: TCATTAGGTGGTCGGTGAGGTC

项阳等: 转TPS1基因促进干旱胁迫条件下的花青素积累提高玉米植株抗旱性 2057
分别取3株10% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫
处理的野生型和转基因玉米植株相同部位的根、
茎、叶各0.1 g, 提取总RNA, 参照ABI公司说明反
转录为cDNA。以玉米Actin作为内参基因, 利用
SYBR Green I实时定量PCR染料法分别对相关基
因的表达进行分析。按照ABI公司说明书以ΔΔCT
法计算和分析各基因表达水平。Real-time PCR反
应体系为20 μL, 含Power SYBR Green PCR Master
Mix (2×) 10 μL、引物各1.0 μL、cDNA 4.0 μL和
ddH2O 4.0 μL。扩增条件为: 95 ℃ 10 min; 95 ℃ 15 s,
60 ℃ 1 min, 40个循环。每个样品设置3个重复。
实验结果
1 干旱胁迫对转TPS1基因玉米叶片相对含水量和
耐旱系数的影响
叶片相对含水量能够反映植株水势, 是衡量
植物耐旱性的重要指标, 通常耐旱植物的叶片相
对含水量和耐旱系数较高(刘贤德等2004)。研究
发现随着PEG-6000溶液处理浓度的增加, 野生型
和转基因玉米的叶片相对含水量(图1)和耐旱系数
(图2)逐渐降低; 但同一处理浓度下, 转基因玉米的
叶片含水量和耐旱系数显著高于野生型玉米, 说
明转TPS1基因玉米比野生型更抗旱。
霞等2003)。对不同浓度PEG-6000溶液处理的野
生型和转基因玉米的叶片进行花青素含量测定发
现, 野生型和转基因玉米随着处理浓度的增加, 花
青素含量也随之积累; 但在同一处理条件下, 转基
因玉米的花青素含量显著高于野生型, 这表明转
基因玉米比野生型更能够积累花青素(图3)。分析
转基因玉米的花青素积累量和耐旱系数相关性发
现两者具有显著相关性(R2=0.912), Sherwin和Far-
rant (1998)的研究证明花青素积累能提高植物的抗
旱性, 因此转基因玉米抗旱性增强的原因可能是
花青素的积累。
图1 干旱胁迫对转TPS1基因玉米叶片相对含水量的影响
Fig.1 Effects of drought treatments on leaf relative water
content of TPS1 transgenic maize
WT: 野生型玉米, TP: 转TPS1基因玉米; *表示同一PEG-
6000浓度下TP和WT之间差异显著(P<0.05), **表示差异极显著
(P<0.01)。下图同。
2 干旱胁迫对转TPS1基因玉米花青素含量的影响
花青素是植物呈色的重要物质, 植物在干旱
等胁迫下会积累花青素来帮助植物适应逆境(孙明
图2 干旱胁迫对转TPS1基因玉米耐旱系数的影响
Fig.2 Effects of drought treatments on droguht tolerance coef-
ficient of TPS1 transgenic maize
图3 干旱胁迫对转TPS1基因玉米中花青素含量的影响
Fig.3 Effects of drought treatments on anthocyanidin content
of TPS1 transgenic maize
3 转TPS1基因玉米植株海藻糖含量测定
选取正常处理和10% PEG-6000溶液模拟干旱
胁迫处理的野生型和转基因植株各3株测定海藻糖
含量发现干旱胁迫前后野生型玉米植株中检测不
到海藻糖的存在, 也未检测到TPS1基因表达。有研
植物生理学报2058
究表明在3种干旱条件下的6个玉米自交系, 利用高
效液相色谱法(HPLC)均未检测到海藻糖的存在(付
凤玲等2011), 说明野生型玉米中不含有TPS1基因。
转基因玉米植株在干旱胁迫前未检测到海藻糖含
量, 但是转基因玉米植株在干旱胁迫后检测到海藻
糖, 其平均含量为1.23 mg·g-1 (图4)。Real-time PCR
分析发现干旱胁迫前转基因玉米植株TPS1基因未
表达, 而转基因玉米植株在10% PEG-6000溶液模拟
干旱胁迫条件下检测到TPS1基因的表达(图5)。这
是因为驱动TPS1基因表达的启动子为逆境诱导启
动子rd29A, 在非胁迫条件下不启动基因表达, 干旱
条件rd29A启动TPS1基因表达(Liu等2014)。
4 干旱胁迫对转TPS1基因玉米植株形态的影响
在干旱胁迫前, 野生型与转基因玉米植株的
图4 干旱胁迫前后转TPS1基因玉米中海藻糖含量
Fig.4 Trehalose content of TPS1 transgenic maize before and
after drought stress
根、茎、叶颜色无显著差异, 而在10% PEG-6000
溶液模拟干旱胁迫条件下, 转基因与野生型植株
颜色差异显著(图6-A), 转基因玉米的根(图6-B)、
茎(图6-C)、叶(图6-D)均呈现明显的紫红色。花青
素含量测定表明, 干旱胁迫前野生型和转基因玉
米植株的根、茎、叶中花青素含量无显著差异,
图5 干旱胁迫前后转TPS1基因玉米中TPS1基因的表达
Fig.5 Relative expression level of TPS1 gene before and after
drought stress
A: 干旱胁迫前后转基因玉米中TPS1基因的半定量RT-PCR分
析; B: 干旱胁迫前后转基因玉米中TPS1基因的相对表达量分析。
图6 干旱胁迫对转TPS1基因玉米根、茎、叶形态的影响
Fig.6 Effects of drought treatments on appearance of roots, stems and leaves of TPS1 transgenic maize
A~D: 分别是干旱胁迫下野生型与转基因玉米的植株、根、茎和叶的形态。
项阳等: 转TPS1基因促进干旱胁迫条件下的花青素积累提高玉米植株抗旱性 2059
而10% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件下转基因
玉米植株的根、茎、叶中花青素含量极显著高于
野生型, 根、茎、叶中花青素含量分别是野生型
的8.5倍、5.4倍和1.8倍(图7)。
MDA含量与野生型相比, 降低了36.7% (图9-B), 表
明转TPS1基因玉米植株的抗氧化能力提高了。
讨　　论
有研究报道TPS1基因提高植物抗旱性的可能
机制包括: 第一, 在干旱等胁迫条件下, TPS1基因
表达合成海藻糖阻止了蛋白失活和细胞膜变性
(Elbein等2003); 第二, TPS1基因影响气孔开闭程
度, 从而减少水分的蒸发(Van Houtte等2013)。我
们前期的研究结果表明, 转TPS1基因玉米抗旱性
增强的原因中证明SDD1基因表达升高和气孔密度
减少能提高转TPS1基因玉米植株的抗旱性(Liu等
2014)。将玉米ZmSDD1基因导入烟草中, 提高了
5 TPS1基因对花青素合成调控基因表达的影响
转录因子是花青素合成的重要调节因子(乔
小燕等2009)。研究表明10% PEG-6000溶液模拟
的干旱胁迫条件下转TPS1基因玉米植株的根中正
调控基因PL1、PAC1和R1的表达量较野生型上调,
PL1表达量是野生型的26.6倍, PAC1表达量是野生
型的1.5倍, R1表达量是野生型的2.9倍。而负调控
基因c1-I-2K1表达量比野生型下降了63.8% (图
8-A)。转基因植株的茎中正调控基因PL1、PAC1
和R1表达量分别是野生型的5.2、1.4和1.6倍; 而负
调控基因c1-I-2K1表达量比野生型下降了60.2%
(图8-B)。转基因植株的叶中正调控基因PL1、
PAC1和R1表达量分别是野生型的4.1、2.0和3.8倍,
负调控基因c1-I-2K1表达量比野生型下降了85.1%
(图8-C)。说明转TPS1基因玉米中花青素含量的增
加, 与TPS1基因表达而影响花青素合成调控因子
表达有关。
6 干旱胁迫对转TPS1基因玉米植株抗氧化能力的
影响
干旱胁迫会使植物细胞积累H2O2并且导致脂
膜过氧化, CAT是清除H2O2的一种酶, 能够减少
H2O2对细胞的毒害; MDA是膜脂过氧化的主要产
物, 其含量与植物抗旱性呈反比, 两者都是评价植
物抗旱性的重要指标(张立新和李生秀2007)。研
究表明在10% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件
下, 转基因玉米的CAT活性比野生型提高了56.3%
(图9-A), 极显著高于野生型。而转基因玉米的
图7 干旱胁迫下转TPS1基因玉米根、茎、叶的花青素含量
Fig.7 Anthocyanidin content of TPS1 transgenic maize under
drought stress
图8 干旱胁迫下转TPS1基因玉米根、茎、叶中花青素合
成调控基因的表达分析
Fig.8 Expression analysis of transcription factor related to
anthocyanidin synthesis under drought stress
A~C分别为干旱胁迫下转基因玉米根、茎和叶中花青素合成
调控基因的表达。
植物生理学报2060
成的过程中起到重要调控作用, 调控花青素合成
的主要转录因子有WD4、bHLH和MYB等。转
TPS1基因玉米植株中花青素积累可能与花青素合
成的相关转录因子调控有关。在10% PEG-6000溶
液模拟干旱胁迫条件下, 编码WD40转录因子的
PAC1基因在根、茎、叶中表达量均有所增加, 尤
其是叶片中的表达量是野生型的2倍以上。油菜
(Brassica napus)中表达的WD40蛋白能够提高油菜
渗透调节能力(Lee等2010), 说明转TPS1基因玉米
植株WD40蛋白编码基因表达量增加可能提高了
玉米抗旱性。另外, 转TPS1基因玉米植株中编码
bHLH转录因子的R1基因以及编码MYB转录因子
的PL1基因表达水平在根、茎、叶中均表现上
调。R1和PL1基因在叶中均表达上调最高, 表达量
分别是野生型的3.8倍和4倍以上。Nakabayashi等
(2014)报道了拟南芥中过表达调控花青素合成的
编码MYB转录因子的基因PAP1不仅可以提高拟
南芥的抗旱性, 还提高了抗氧化能力, 说明与拟南
芥中PAP1基因具有相同功能的PL1基因(Katia和
Chiara 2011)的表达升高有利于提高玉米的抗旱
性。此外, 花青素合成的负调控基因c1-I-2K1在转
TPS1基因玉米的根、茎、叶中均表达下调, 表达
量与野生型相比下降了60%以上。Chen等(2004)
研究发现在烟草中导入源于玉米的c1-I-2K1基因
能够抑制花色素的形成。但TPS1基因通过何种途
径来影响转录因子表达还需进一步研究。转TPS1
基因玉米植株中花青素积累可能是TPS1基因表达
影响花青素合成调控基因的表达而促进花青素积
累, 从而提高玉米抗旱性。
植物在水分胁迫下积累活性氧, 导致膜脂过
图9 干旱胁迫下转TPS1基因玉米的CAT活性和MDA含量
Fig.9 CAT activity and MDA content of TPS1 transgenic maize plants under drought stress
A: 干旱胁迫下野生型与转基因玉米CAT活性; B: 干旱胁迫下野生型与转基因玉米MDA含量。
烟草的抗旱性, 且转基因烟草的气孔密度同时降
低(刘延波等2014)。随后研究发现TPS1基因在干
旱胁迫下促进玉米根系生长也是转TPS1基因玉米
植株抗旱性增强的原因之一(项阳等2015)。
花青素是一种有效而有广谱性的保护因子,
不仅能提高抗旱能力, 还能够提高植物抗冻、抗
氧化以及抗菌能力(孙明霞等2003)。花青素以糖
苷形式存在, 极易溶于水, 并且容易在液泡中积累,
可作为渗透调节剂, 提高植物抗旱性。Nogués等
(1998)报道, UV-B照射诱导产生的花青素可以降
低豌豆(Pisum sativum)在干旱胁迫下的受害程度,
提高了豌豆的抗旱性。有研究表明随着干旱胁迫
程度加重, 植物的花青素含量逐渐增加(许丽颖等
2007; Efeoğlu等2009)。本研究在前期工作的基础
上进一步研究转TPS1基因玉米植株中抗旱性增强
的原因, 发现随着干旱胁迫加重, 野生型和转基因
玉米植株的叶片相对含水量和耐旱系数逐渐降低;
转基因玉米植株的叶片相对含水量和耐旱系数在
每个干旱胁迫条件下均高于野生型, 表明转基因
玉米植株比野生型更加抗旱。同时野生型和转基
因玉米植株随着干旱加重, 花青素含量也随之增
加, 且转基因玉米植株的花青素含量在每个干旱
胁迫条件下均高于野生型。同时, 相关性分析表
明花青素含量与转基因玉米抗旱性增强显著相
关。在10% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件下,
转基因玉米的根、茎、叶的花青素含量均高于野
生型。Sherwin和Farrant (1998)的研究证明花青素
积累能提高植物的抗旱性, 因此花青素积累可能
是玉米植株抗旱性提高的原因之一, 能够减缓干
旱胁迫对植株的损害程度。转录因子在花青素合
项阳等: 转TPS1基因促进干旱胁迫条件下的花青素积累提高玉米植株抗旱性 2061
氧化, 因此, 植物在抵御氧化伤害时, 需要抗氧化
酶或抗氧化剂抵御伤害(葛体达等2005)。干旱后
植物体内的CAT活性和MDA含量能够反映植物的
抗旱性, CAT活性上升幅度越大, MDA含量下降幅
度越大, 表明植物越抗旱(张立新和李生秀2007)。
干旱胁迫前野生型和转基因玉米植株的CAT活
性、MDA含量没有差异。在10% PEG-6000溶液
模拟干旱胁迫条件下, 转基因玉米CAT活性比野生
型上升了56.3%, MDA含量比野生型降低了36.7%。
表明TPS1基因表达也提高了转基因玉米抗氧化能
力, 从而减少干旱胁迫对玉米的受害程度。
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