全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(11): 2046−2054 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118500), 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA10A309), 国
家自然科学基金项目(30970229)和教育部高校博士点基金(20103702110007)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 杨兴洪, E-mail: xhyang@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8246167
第一作者联系方式: E-mail: lizhimeinihao@126.com
Received(收稿日期): 2013-02-26; Accepted(接受日期): 2013-06-24; Published online(网络出版日期): 2013-08-12.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130812.1750.015.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.02046
转 codA基因提高番茄植株的耐热性
李枝梅 1 窦海鸥 1 卫丹丹 1 孟庆伟 1 Tony Huihuang CHEN 2 杨兴洪 1,*
1山东农业大学生命科学学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018; 2 Department of Horticulture, Oregon State University,
Corvallis, OR 97331, USA
摘 要: 以野生型番茄(cv. Moneymaker)和转 codA番茄为材料, 用不同温度(25、30、35、40、45和 50℃)分别处理
2 h, 测定叶片净光合速率(Pn)、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、过氧化氢(H2O2)含量、丙二醛(MDA)含量、相对电导率
(REC)和抗氧化酶活性等生理指标; 42℃高温处理 0、3和 6 h后, 检测热响应基因的表达量以及 D1蛋白的含量, 研
究高温胁迫对上述参数的影响, 探讨转 codA基因提高番茄叶片耐热性的机制。结果表明, 高温胁迫下, 转 codA基因
番茄叶片 Pn和 Fv/Fm的抑制程度明显低于野生型, H2O2、MDA的积累量以及 REC均低于野生型, 而且明显增强了过
氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性。此外, 转 codA 基
因番茄叶片中抗氧化酶基因和热胁迫基因的表达水平均高于野生型, 而 D1 蛋白的降解水平低于野生型。转 codA 基
因番茄体内合成的甜菜碱提高了转基因番茄的耐热性, 这与提高和维持较高的抗氧化酶活性、促进热激响应基因的
表达及减缓 D1蛋白的降解等有关。
关键词: codA基因; 番茄; 高温胁迫; 耐热性; 甜菜碱
codA Transgenic Tomato Plants Enhance Tolerance to High Temperature
Stress
LI Zhi-Mei1, DOU Hai-Ou1, WEI Dan-Dan1, MENG Qing-Wei1, Tony Huihuang CHEN2, and YANG
Xing-Hong1,*
1 State Key Laboratory of Crop Biology / College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 2 Department of Horti-
culture, Oregon State University, Corvallis, OR 97331, USA
Abstract: The effects of codA gene on photosynthesis, activities of antioxidative enzymes, the expression of the heat response
genes and the accumulation of D1 protein in tomato leaf under different temperature stresses were investigated to reveal the
mechanism of thermotolerance in codA-transgenic tomato plants. The wild type (cv. Moneymaker) and codA transgenic tomato
plants were treated with 25, 30, 35, 40, 45, and 50℃ respectively for two hours, then net photosynthetic rate (Pn), the maximal
efficiency of PSII photochemistry (Fv/Fm), hydrogen peroxide (H2O2) content, malondialdehyde (MDA) content, relative electric
conductivity (REC) and activities of antioxidative enzymes were detected. After 42℃ heat stress for 0, 3, 6 hours, the expressions
of antioxidant enzyme genes and heat stress genes and the accumulation of the D1 protein were also determined. The results
demonstrated that under high temperature stress, the inhibition degree of Pn and Fv/Fm in codA transgenic tomato plants was lower
than that in wild type plants. The accumulation of H2O2, MDA and REC in codA transgenic tomato plants was less than that in
wild type plants. And codA transgenic tomato plants also greatly enhanced the activities of catalase (CAT), superoxide dismutase
(SOD), peroxidase (POD), and ascorbate peroxidase (APX). Moreover, the expression levels of antioxidant genes and heat re-
sponse genes in codA transgenic tomato plants was higher than those in wild type plants and the degradation degree of D1 protein
in codA transgenic tomato plants were lower than that in wild type plants. It indicated that codA transgenic tomato plants enhance
thermotolerance via maintaining higher activities of antioxidant enzymes, accelerating the expression of heat response genes and
reducing the degradation of D1 protein.
Keywords: codA gene; Tomato; High temperature stress; Thermotolerance; Glycinebetaine
第 11期 李枝梅等: 转 codA基因提高番茄植株的耐热性 2047


高温是影响植物生长发育的一个重要因素。高
温能够影响植物光合作用、增加细胞膜的通透性、
抑制蛋白质的合成进而抑制植株生长[1]。番茄是保
护地栽培的主要蔬菜之一, 对温度敏感, 温度过高
会使其生长发育受阻。番茄植株生长发育的最适温
度为昼温24~26℃, 夜温18℃左右, 30℃则过高, 到
40℃就停止生长, 如果高温达到45℃时, 在短时间
内茎叶就会出现日灼, 叶脉泛白, 以致坏死[2]。甜菜
碱作为一种渗透调节物质, 参与植物对许多环境胁
迫的响应[3]。codA基因是合成甜菜碱的重要基因, 可
以催化胆碱直接合成甜菜碱。因此研究转codA基因
对植物耐热性的影响, 探讨转codA基因番茄的耐热
性机制有重要意义。有研究表明, 转codA基因番茄
通过合成甜菜碱能够缓解低温胁迫对番茄幼苗生长
发育以及开花的影响, 是因为在低温下甜菜碱能够
维持一些抗氧化酶的活性, 降低细胞膜的膜脂过氧
化作用 , 减缓PSII最大光化学效率的降低程度 [4]。
Kathuria等 [5]认为转codA基因水稻通过合成甜菜碱
能够增加一些胁迫响应基因的表达来提高水稻植株
的抗旱能力。另外一些研究发现甜菜碱能够缓解盐
胁迫对卡尔文循环中一些酶的损伤, 从而提高转基
因烟草的耐盐性 [6]。Yang等 [7-8]指出在高温胁迫下 ,
甜菜碱能够通过提高烟草的光合能力和PSII活性来
增强其耐热性。Li等[9]发现在高温胁迫下外源甜菜碱
能够促进番茄种子的萌发和幼苗的生长。关于高温
胁迫下甜菜碱增强番茄耐热性与热响应基因表达及
D1蛋白关系的研究目前仍未见报道。本文拟研究高
温胁迫下, 野生型和转codA基因番茄叶片的净光合
速率、荧光参数、MDA含量、REC、抗氧化酶活性、
热响应基因和D1蛋白的变化, 探讨甜菜碱提高番茄
耐热性与热胁迫基因表达和D1蛋白积累间的关系。
1 材料与方法
1.1 试验材料与种植
以自交获得的第5代野生型番茄 (cv. Money-
maker)和转codA (胆碱氧化酶)基因番茄为材料, 根
据转codA基因番茄株系表达量的差异 , 选择3个株
系, 分别是CL1、CL2和CL4, 其中转codA基因番茄
以野生型番茄(cv. Moneymaker)为受体获得。转codA
番茄由美国俄勒冈州立大学Tony Chen实验室提供,
该基因定位于叶绿体和细胞质[10]。将番茄种子种于
MS培养基中, 于25℃条件下生长15 d后移至内含蛭
石的花盆(直径15 cm, 高10 cm)中, 用Hoagland营养
液培养, 在昼夜温度为25/20℃、光周期为光照16 h/
黑暗8 h、相对湿度为65%~70%、光强为300 μmol m–2
s–1的温室中培养。
1.2 材料处理
选取生长至八叶期长势一致的番茄植株在光照
培养箱中进行高温处理。将在温室生长6周后的番茄
植株置不同温度(25、30、35、40、45和50℃)的光照
培养箱中分别处理2 h或者于42℃的培养箱中处理
0、3和6 h, 培养箱光照保持在300 μmol m–2 s–1, 湿度
保持在65%~70%。从每处理选用4~6株, 选取完全展
开的从上向下第3片或第4片叶子测定相关生理指
标。3次重复测定, 取平均值。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 甜菜碱含量的测定 参考Rhodes等[11]的方
法提取和测定甜菜碱
1.3.2 光合速率和气孔导度的测定 采用CIRAS-2
便携式光合系统(PP Systems, 英国)测定净光合速率
(Pn)、气孔导度(Gs)。控制光强为800 μmol m–2 s–1,
CO2 浓度为380 μL L–1, 温度为25℃, 空气相对湿度
65%~70%[7]。
1.3.3 荧光参数的测定 采用便携脉冲调制式荧
光仪(FMS-2, Hansatech, 英国)测定[12]。叶片暗适应
30 min后测定其荧光参数, 其中, Fo为初始荧光, Fm
为最大荧光 , 光系统 II最大光化学效率 Fv/Fm=
(Fm–Fo)/Fm。然后将叶片暴露在300 μmol m–2 s–1的光
强下大约8 min后 , 测定光适应下的稳态荧光(Fs),
然后施加8000 µmol m–2 s–1的强脉冲光, 测定光适应
下的最大荧光(Fm), 最后远红光照射3 s后测定光适
应下的最小荧光 (Fo)。实际光化学效率ФPSII=
(Fm–Fo)/Fm。
1.3.4 过氧化氢(H2O2)含量的测定 参照 Bren-
nan和Frenkel[13]的方法测定。
1.3.5 丙二醛(MDA)含量和相对电导率(REC)的测定
参照赵世杰等[14]的硫代巴比妥酸(TBA)比色法
测定MDA含量, 参照Clarke等[15]的方法测定REC。
1.3.6 酶活性测定 称取剪碎的番茄叶片0.5 g,
加入5 mL预冷的提取液 (pH 7.8磷酸缓冲液 , 含
0.1 mmol L–1 EDTA, 1% PVP), 冰浴研磨, 于4℃下
12 000×g离心20 min, 上清液即为酶提取液。按Aebi [16]
的方法测定过氧化氢酶(CAT)活性, 按Giannopolitis和
Ries[17]的方法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性, 按愈
创木酚法[18]测定过氧化物酶(POD)活性, 按Nakano和
Asada [19]的方法测定抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性。
2048 作 物 学 报 第 39卷


1.3.7 实时定量PCR分析 利用TRIzol试剂盒提
取总RNA, 取1 μg总RNA进行DNase I处理 , 采用
cDNA第一链合成试剂盒反转录为cDNA。
将反转录所得 cDNA 样品稀释至 0.5~2.0 ng
μL–1, 作为实时定量 PCR 反应的模板, 参照 SYBR
Green Real time PCR Master Mix(QPK-201)说明书,
反应体系含 2.5 μL cDNA, 9 μL SYBR Green, 0.5 μL
正向/反向引物, 7.5 μL ddH2O, 反应条件和步骤为预
变性 95˚C 30 s, 变性 95˚C 10 s, 退火 59˚C 30 s, 延
伸 72˚C 20 s, 变性到退火过程为 43个循环, 以番茄
Actin作为内参, 基因相对表达量由 Bio-Rad CFX 96
实时定量 PCR 仪器自带软件分析, 扩增曲线及样品
Ct 值由软件自动生成。引物由生工生物工程(上海)
有限公司合成, 引物序列见表 1。

表 1 实时定量 PCR所用引物
Table 1 Primers for the real-time PCR
上游引物
F-primer
引物序列
Primers sequence (5′–3′)
下游引物
R-primer
引物序列
Primers sequence (5′–3′)
Actin-F GGAACTTGAGAAGGAGCCTAAG Actin-R CAACACCAACAGCAACAGTCT
GR-F TGTCAAGTCAGCAGATGGTTCAC GR-R CCTCTATGGCTCCGTTCTTTGTC
MDHAR-F CGGATTTCAAGGGTTTCGGTTC MDHAR-R CTCCTCCAACTACCACATACTCTC
CAT1-F TCCTTGTCGTCCTGCTGAG CAT1-R TTGATGTATCTGTCTTGCCTGTC
HSP100-F AGATCCAGCAGTAAGAGCAG HSP100-R ACAAGTGCCTCTTCAGTATTG
HSP70-F TGCTGGAGGTGTT ATGACCA HSP70-R GACTCCTCTTGGTGCTGGAG
HSP17.6-F TGGAGAAGGAAGATAAGAATGAC HSP17.6-R TGGAACAGTAACAGTAAGCAC

1.3.8 D1蛋白的测定 按文献[20-21], 取新鲜番
茄叶片1 g, 在液氮中研磨成粉末, 加预冷的提取缓
冲液(50 mol L–1 Hepes, pH 7.8, 10 mol L–1 NaCl, 2
mol L–1 EDTA, 2 mol L–1 MgCl2和400 mol L–1蔗糖),
经3层纱布过滤匀浆 , 用提取缓冲液冲洗类囊体颗
粒后在5000×g离心10 min, 将所得类囊体膜最后悬
浮于贮存缓冲液中, 于–80℃保存备用。采用赵世杰
等[22]的方法测定叶绿素含量。
D1蛋白的分离与测定: 采用SDS-PAGE(聚丙烯
酰胺凝胶电泳)和Western blot(免疫印迹)法[23]。分离
胶15%, 浓缩胶5%, 均含6 mol m–2 s–1尿素。上样量以
叶绿素含量为准, 保证每泳道一致的叶绿素含量[24]。
在Western blot分析中, 一抗为叶绿体D1蛋白多
克隆抗体, 二抗为碱性磷酶标记羊抗兔抗体IgG, 用
半干法蛋白转移法转膜。
1.4 统计分析
采用Microsoft Excel 2003, Sigmaplot 10.0与SPSS
13.0软件的LSD法对数据进行方差分析和差异显著性
检验。
2 结果与分析
2.1 转 codA基因番茄叶片中甜菜碱的含量
在正常条件下, 转 codA基因番茄在叶片中积累甜
菜碱。如图 1 所示, 野生型番茄叶片中不能检测到甜
菜碱, 而不同转基因番茄株系叶片中甜菜碱含量也不

图 1 野生型和转 codA基因番茄叶片中甜菜碱的含量
Fig. 1 Contents of glycinebetaine (GB) in leaves of wild type
and codA transgenic tomato plants

相同, 本试验中所选用的 CL1、CL2和 CL4株系中甜
菜碱的含量分别为 2.79、2.35和 2.22 µmol g–1 FW。
2.2 不同温度处理对野生型和转 codA 番茄叶片
光合速率、气孔导度和光化学效率的影响
当温度低于30℃时, 野生型和转基因株系的Pn
均呈增加趋势, 当温度超过30℃时, 随处理温度提
高, 番茄叶片Pn下降, 且野生型下降的幅度明显高
于转基因株系(P<0.01)。45℃处理2 h后, 野生型番茄
的Pn比25℃时降低62%, 而转基因CL1、CL2和CL4
株系分别降低34%、22%和40%。50℃处理2 h后, 野
生型番茄的Pn比25℃时降低80%, 而转基因株系分
别降低59%、54%和64% (图2-A)。在高温处理下, 番
茄各株系Gs均下降, 且野生型下降幅度均高于各转
第 11期 李枝梅等: 转 codA基因提高番茄植株的耐热性 2049


基因株系(图2-B)。
Fv/Fm是暗适应下PSII的最大光化学效率, 反映了
PSII反应中心最大光能转化效率[25]。当温度低于40℃
时, 温度处理对番茄Fv/Fm没有显著影响, 而且野生型
和转codA基因番茄的Fv/Fm没有显著差异。当处理温度
高于40℃时, 野生型和转基因番茄叶片的Fv/Fm均下降,
且转基因番茄的下降幅度明显低于野生型(P<0.01)。
45℃处理2 h后 , 野生型番茄的Fv/Fm比25℃时降低
22%, 而转基因CL1、CL2和CL4株系分别降低11%、
10%和13%。50℃处理2 h后, 野生型番茄的Fv/Fm比
25℃时降低96%, 而转基因株系分别降低56%、57%和
58% (图2-C)。各个株系的Fo与Fv/Fm呈相反的变化趋
势。45℃高温胁迫2 h后, Fo均上升, 而野生型番茄叶片
Fo显著高于转基因株系(P<0.01)(图2-D)。
以上结果表明, 转 codA 基因番茄在高温胁迫下
比野生型番茄能够维持较高的光合速率和 PSII活性。


图 2 不同温度处理 2 h对野生型和转 codA基因番茄叶片光合和荧光参数 Pn(A)、Gs(B)、Fv/Fm(C)和 Fo(D)的影响
Fig. 2 Effects of temperature treatments for two hours on Pn (A), Gs (B), Fv/Fm (C), and Fo (D) in wild type and codA transgenic tomato leaves

2.3 不同温度对野生型和转 codA 番茄叶片过氧
化氢(H2O2)含量的影响
转codA番茄在合成甜菜碱时有副产物H2O2产生[4],
而在胁迫条件下细胞中活性氧的积累与细胞膜的氧
化损伤有关[26]。图3所示, 常温下, 转基因番茄叶片
中H2O2含量比野生型高8%~10%。随着处理温度的
升高 , 野生型和转基因番茄H2O2含量均逐渐增加 ,
且前者明显高于后者(P<0.01), 50℃处理2 h后, 野生
型番茄叶片中H2O2含量比25℃时增加87%, 而转基
因CL1、CL2和CL4株系分别增加了43%、40%和
44%。同野生型番茄相比, 高温胁迫下转codA基因番
茄叶片中H2O2积累较少。
2.4 不同温度处理对野生型和转 codA 番茄叶片
丙二醛(MDA)含量和相对电导率(REC)的影响
丙二醛(MDA)含量是膜脂过氧化的一个重要指

图 3 不同温度处理 2 h对野生型和转 codA基因番茄叶片中
H2O2含量的影响
Fig. 3 Effects of temperature treatments for two hours on
H2O2 content in wild type and codA transgenic tomato leaves

标, 相对电导率(REC)是胁迫条件下膜稳定性的重
要指标, 它们均反映了胁迫对细胞膜的伤害程度。
如图 4 所示, 在 25℃条件下, 野生型和转基因番茄
2050 作 物 学 报 第 39卷



图 4 不同温度处理 2 h对野生型和转 codA基因番茄叶片 MDA含量和 REC的影响
Fig. 4 Effects of temperature treatments for two hours on MDA content and REC in wild type and codA transgenic tomato leaves

叶片中的MDA含量没有显著差异, 30℃以上随处理
温度的升高, 番茄叶片MDA含量增加, 野生型番茄
MDA含量增加幅度较转基因番茄高。50℃胁迫 2 h
后, 野生型番茄叶片中MDA含量增加了 87%, 而各
转基因 CL1、CL2和 CL4株系分别增加了 61%、50%
和 52% (图 4-A)。番茄叶片相对电导率的变化趋势
与MDA的变化趋势相似, 当温度高于 35℃时, 番茄
叶片的相对电导率明显升高 , 而野生型番茄叶片
REC 增加幅度明显高于转基因株系 (P<0.01)(图
4-B)。以上结果表明, 在高温胁迫下, 转 codA 基因
番茄叶片膜脂过氧化程度较轻 , 电解质外渗较少 ,
高温胁迫下膜的伤害程度较野生型轻。
2.5 不同温度处理对野生型和转 codA 番茄叶片
抗氧化酶活性的影响
在正常条件下, 转codA基因番茄叶片中CAT活
性比野生型高16%~17%。随着处理温度的升高, 各
株系CAT活性呈先上升后下降的趋势, 转基因番茄
CAT活性始终显著高于野生型(P<0.01)(图5-A)。SOD
和POD活性随温度升高各株系均呈先上升后下降的
趋势, 当处理温度低于35℃时, 野生型和转基因株
系之间SOD和POD活性无显著差异, 处理温度高于
35℃时, 野生型番茄中SOD和POD活性均低于各转
基因株系(图5-B~C)。番茄叶片中APX活性随温度升
高呈逐渐上升的趋势, 野生型番茄APX活性低于转
基因株系(图5-D)。以上结果表明, 同野生型番茄相
比, 转codA基因番茄在高温胁迫下具有较高的抗氧
化酶活性。
2.6 高温胁迫对野生型和转 codA 番茄基因表达
的影响
以番茄Actin基因为内参基因, 分别对高温胁迫
下谷胱甘肽还原酶 (GR)、脱氢抗坏血酸还原酶
(MDHAR)、过氧化氢酶 (CAT)、热激蛋白 100
(HSP100)、热激蛋白70 (HSP70)以及小分子热激蛋
白17.6 (HSP17.6)的基因进行实时定量PCR分析。在
正常条件下, 野生型番茄叶片中GR的表达量高于转
基因番茄叶片, 但是在42℃处理后, 转基因番茄叶
片的表达量高于野生型番茄叶片(图6-A)。MDHAR
在42℃处理3 h后, 转基因番茄叶片的表达量也明显
高于野生型番茄叶片(图6-B)。CAT1在正常条件下,
转基因番茄的表达量比野生型明显高, 在42℃处理
后 , 野生型和转基因的表达量都大幅度地降低(图
6-C)。HSP100、HSP70和HSP17.6基因在正常条件下
表达量均很低, 但是在42℃处理3 h后, 野生型和转
基因番茄的表达量均大幅度地增加, 在42℃处理6 h
后, 野生型和转基因番茄的表达量又大幅降低, 在
42℃高温处理之后, 转基因番茄的表达量始终高于
野生型(图6-D~F)。这些结果表明 , 在高温胁迫下 ,
抗氧化酶基因和热激蛋白基因在转codA基因番茄中
的表达量高于野生型。
2.7 高温胁迫对野生型和转 codA 基因番茄叶片
中 D1蛋白的影响
如图7所示, 正常条件下, 野生型和转基因番茄
叶片D1蛋白含量没有显著差别, 当42℃高温处理后
含量均明显降低, 但转基因叶片中含量明显高于野
生型番茄(P<0.01)。
3 讨论
本研究结果表明, 高温胁迫导致番茄叶片净光
合速率、PSII最大光化学效率降低(图2)。高温胁迫
下转基因番茄叶片维持了较高的光合速率, 而较高
的光合速率与较高的气孔导度有关(图2-A~B)。前人
研究表明较高浓度的H2O2能够诱导气孔关闭[27-28]。
第 11期 李枝梅等: 转 codA基因提高番茄植株的耐热性 2051



图 5 不同温度处理 2 h对野生型和转 codA基因番茄叶片 CAT、SOD、POD和 APX活性的影响
Fig. 5 Effects of temperature treatments for two hours on activities of CAT, SOD, POD, and APX in wild type and codA transgenic tomato leaves

图 6 42℃高温胁迫对野生型和转 codA番茄基因(GR、MDHAR、CAT1、HSP100、HSP70和 HSP17.6)表达的影响
Fig. 6 Expression of the genes (GR, MDHAR, CAT1, HSP100, HSP70, and HSP17.6) in wild type and codA transgenic tomato plants
treated with 42℃
2052 作 物 学 报 第 39卷



图 7 42℃高温胁迫对野生型和转 codA基因番茄 D1蛋白含量
的影响
Fig. 7 Effects of 42℃ treatment on D1 content in wild type
and codA transgenic tomato plants


图 8 42℃高温胁迫下野生型和转 codA基因番茄 D1蛋白的相
对含量
Fig. 8 Effects of 42℃ treatment on relative content of D1
protein in wild type and codA transgenic tomato plants

甜菜碱的积累显著降低了高温胁迫下番茄叶片H2O2
的积累(图3)。这可能是高温胁迫下转codA基因番茄
维持较高气孔导度和光合速率的原因之一。另外 ,
前人对转基因烟草 [6]和芸薹属植物 [29]的研究认为 ,
在胁迫条件下, 甜菜碱能够通过保护光合机构增强
光合能力。
高温对PSII的伤害主要包括放氧复合体和光化
学反应中心的构象变化[30]。在本研究中, 高温胁迫
下, Fv/Fm的降低和Fo的增高表明PSII反应中心受到
了损伤。而转codA基因番茄植株中甜菜碱的积累缓
解了Fv/Fm的降低和Fo的增高 (图2-C~D), 保护了
PSII反应中心使其免受高温的伤害。Park等[4]对冷胁
迫下转codA基因番茄的研究和Kathuria等 [5]对干旱
胁迫下转codA基因水稻的研究也得出了同样的结果;
Allakhverdiev等 [31]的研究证实, 在高温下转codA基
因蓝藻的放氧复合体和光反应中心的半失活温度均
有所提高。而进一步研究表明, 高温对PSII的抑制作
用主要是通过干扰D1蛋白的合成而抑制PSII的修复,
而不是直接通过光损伤来损伤PSII的[32]。本研究结
果表明 , 高温胁迫严重抑制了D1蛋白的合成 , 转
codA基因番茄体内合成的甜菜碱有效缓解了高温胁
迫对D1蛋白合成的抑制作用(图7), 减轻了高温胁迫
对PSII的损伤 (图2)。Allakhverdiev等 [31]通过对转
codA蓝藻的研究表明甜菜碱能够通过促进D1蛋白
的合成而保护PSII反应中心。
在光合细胞的电子传递过程中会产生活性氧, 而
高温对PSII的损伤主要是由活性氧的积累造成的[33]。
前人研究证实, H2O2在胁迫中起着双重作用, 即浓
度较低时, 作为一种信号物质, 而浓度超过一定限
度时作为一种毒害物质[4]。在正常条件下, 转基因番
茄比野生型积累的H2O2高出16%, 当冷处理后 , 转
基因番茄仍维持正常条件下的H2O2含量, 而野生型
比正常条件下的H2O2含量增高了0.5倍[4]。本研究发
现, 在正常条件下, 野生型番茄叶片中H2O2含量比
转基因番茄低8%~10%, 高温胁迫之后, 野生型番茄
叶片中H2O2含量明显高于转基因番茄(图3)。这是由
于正常条件下转基因番茄产生甜菜碱的过程中有副
产物H2O2产生, 而在高温胁迫下, 体内甜菜碱能够
减轻活性氧的积累。
甜菜碱可通过提高抗氧化酶的活性清除ROS[8]。
CAT是通过将H2O2分解为H2O和O2而直接清除H2O2
的酶, 在正常条件下, CAT酶的活性在转基因番茄叶
片中始终高于野生型, 可能是转基因番茄叶片中较
高的H2O2含量诱导所致[10]。高温胁迫下, CAT、SOD、
POD和APX的活性在转基因番茄叶片中均高于野生
型(图5)。在强光胁迫下, 转codA基因拟南芥的CAT、
APX和GR的活性均明显高于野生型[34]。研究表明在
高温胁迫下, 转基因番茄体内甜菜碱的积累提高了
抗氧化酶的活性, 从而减少了活性氧的积累。
Kathuria等 [5]对转codA基因水稻转录组分析发
现, 与野生型相比, 转基因水稻中有165个基因上调
表达, 这些基因与胁迫响应、跨膜转运、激素信号、
植物生长发育以及细胞代谢等过程有关。Park等[35]
通过cDNA芯片技术也证明, 与野生型相比, 转codA
基因番茄花芽中30个基因的表达增强, 这些基因的
表达与细胞分裂有关。本研究结果表明, 在高温胁
迫下, 转codA基因番茄叶片的CAT1、GR、MDHAR、
HSP100、HSP70和HSP17.6基因的表达均高于野生型
(图6)。Li等[9]在转codA基因番茄种子中研究发现, 热
激蛋白的转录水平和HSP70的积累量均高于野生型
种子, 推测甜菜碱可能通过某种机制上调抗氧化酶
基因和热激蛋白等基因的表达以提高耐热性。
胆碱在胆碱氧化酶的作用下合成甜菜碱和副产
物H2O2, 因此, 转基因番茄叶片中H2O2的含量高于
野生型(图3), 有研究表明, 低浓度的H2O2可以通过
诱导抗氧化酶基因CAT的表达来对氧化胁迫起到保
第 11期 李枝梅等: 转 codA基因提高番茄植株的耐热性 2053


护作用[36]。本实验也表明, 转基因番茄叶片中较高的
H2O2诱导了正常条件下较高的CAT活性(图5-A), 而
且, 在正常条件下, 转基因番茄叶片中CAT1基因的
表达量也明显高于野生型番茄(图6-C)。低浓度的
H2O2可作为信号分子激活一系列抗氧化保护机制[37-38]。
推测在转codA番茄叶片中, H2O2与甜菜碱共同增强
番茄的抗热性, 但对于H2O2在热胁迫条件下增强抗
热性的机制还有待更深入研究。
4 结论
转 codA 基因缓解了高温胁迫对番茄叶片气孔
导度的影响, 维持了较高的光合速率。较高气孔导
度的维持与转 codA 基因能够抑制高温胁迫下番茄
体内活性氧的产生有关; 转 codA基因提高了高温胁
迫下抗氧化酶活性, 降低了膜脂过氧化程度, 维持
了膜的稳定性, 促进了 D1蛋白的修复循环, 减轻了
活性氧对 PSII 的损伤, 提高了 PSII 的耐热性; 高温
胁迫下, 转 codA基因番茄提高了抗氧化酶基因和热
胁迫基因的表达以应对高温胁迫。
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