大豆耐盐基因定位及耐盐基因GmSKC1的克隆和功能研究

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:talenthers312
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土壤的盐渍化和次生盐渍化是影响农业生产和生态环境的重要因素。全世界至少有20%的耕地盐渍化。在干旱和半干旱地区,土壤次生盐渍化日趋严重。我国有盐渍化土地4千万hm2以上,成为制约农业发展的主要环境因素之一。选育耐盐品种是缓解土壤盐渍化对农业生产影响的有效途径之一;因此,提高农作物的耐盐能力,对于扩大可耕地面积和改善农业生产均具有重要的现实意义。大豆[Glycine max (L.) Merr.]作为油料作物和经济作物,在食品工业和农业生产中占有重要地位;并且大豆品种资源丰富,不同品种间耐盐性差异较大,这使得培育大豆耐盐高产等优良性状聚合的品种成为可能。本研究的目的是:1、对大豆耐盐基因进行定位研究,获得与耐盐基因紧密连锁的分子标记,为分子标记辅助育种提供可靠的标记资源;2、克隆一个大豆耐盐新基因GmSKCl,并对其进行功能研究。1、采用一套重组自交系群体(RIL) NJRIKY进行大豆苗期耐盐性QTL的定位检测,在温室实验中共检测到7个与大豆苗期耐盐性相关的耐盐QTL,它们可以分别解释相应表型变异率的7.8%-19.2%;在滩涂实验中,共检测到3个与大豆苗期耐盐性相关的耐盐QTL,它们可以分别解释相应表型变异率的7.1%-19.7%。在本实验中,共定位到7个新的耐盐QTLs。在温室及沿海滩涂两种环境下,在G连锁群上定位到一个共位耐盐QTL(在标记Sat164和Sat358之间),即qpsdG1和qtrG.1,认为其是一个稳定的耐盐主效QTL。在温室条件下,以存活时间PSD和盐处理28天的PPS进行耐盐QTL检测,结果在K连锁群上Sat363与Satt710标记之间检测一个共位的QTL,且R2均大于10%,认为其是一个耐盐主效QTL;在N连锁群Satt237标记处定位到一个与前人报道共位的耐盐QTL。此外,在滩涂环境下对部分农艺性状进行QTL定为,发现一个百粒重QTL (qswB2.1)与耐盐QTL (qppsB2.1)共位,推测耐盐QTL qppsB2.1对大豆在盐胁迫条件下的百粒重有重要影响。2、从耐盐大豆品种Lee68中克隆了植物HKT类基因GmSKCl,它的氨基酸序列与植物中其它HKT(high-affinity K transporter, HKT)基因的蛋白序列有较高的相似性。进化树分析表明,植物中的HKT基因被明显的聚为三个亚家族,而GmSKCl被聚在第一个亚家族。亚细胞定位分析显示,大豆GmSKCl基因定位在细胞膜上;同时,跨膜结构域(trans-membrane domain, TMD)预测结果显示,GmSKCl有8个可能的跨膜结构域(TMD)。对GmSKCl的RT-PCR分析表明,GmSKCl基因在大豆根、茎及叶中都有表达。在150mMNaCI胁迫下,GmSKCl在根和叶等组织中的表达量均受到强烈诱导,根中的表达量在盐处理12小时后有一个明显的上调,叶中的表达量在盐处理24小时后有一个明显的上调,而其在茎中的表达量基本不变,进而推测GmSKCl基因与大豆的耐盐性密切相关。为了进一步研究GmSKCl基因的功能,构建了GmSKCl基因的过量表达载体pMDC83-GmSKCl,随后将构建好的表达载体采用农杆菌介导的方法对烟草进行了遗传转化,探讨了过量表达GmSKCl基因提高了烟草的耐盐能力。在本研究中,采用PCR的方法鉴定出阳性转基因烟草植株62株,阳性率为59.6%。对PCR和RT-PCR鉴定均阳性的转基因株系(Line16、Line26和Line31)进行了GmSKCl基因的Southern blot分析,发现在三个阳性转基因株系中均以单拷贝的形式整合到烟草的基因组中。过量表达GmSKCl基因的转基因烟草植株的耐盐能力(200mM NaCl胁迫处理下)明显强于野生型烟草植株,表明过量表达GmSKCl基因能有效的提高植株的耐盐能力。盐胁迫下,根和茎中的Na+和K+离子含量检测均发现,与野生型WT烟草植株相比,盐处理几天后的转基因株系拥有较高的K+离子含量及较低的Na+离子含量,这种相似的变化趋势说明了GmSKCl基因是一个大豆Na+转运相关基因,在盐胁迫下维持根和茎中K+离子的动态平衡,从而降低Na+/K+的比值,提高植株的耐盐能力。构建了大豆耐盐基因GmSKCl的过量表达(pMDC83-GmSKCl)和RNAi干扰载体(pB7GWIWG2(II)-GmSKC1),然后采用农杆菌介导转化大豆子叶节的方法,转化了再生性较好的大豆品种南农88-31,获得了大豆耐盐基因GmSKCl过量表达和RNAi的再生植株,并且2株NAi和4株过量表达的再生植株收获到大豆种子。将克隆的大豆耐盐新基因GmSKC1转化成CAPS标记,并采用Mapmaker/Exp3.0软件将GmSKC1基因整合到了NJRIKY群体的遗传图谱之上,GmSKCl基因被定位在Dla+Q连锁群上。将GmSKCl的序列BLAST大豆基因组序列库,结果GmSKC1被定位在Gm01之上。将与CAPS (GmSKCl)标记连锁的SSR标记Sat201和Satt267的序列从NCBI上下载获得,并BLAST大豆基因组序列库,结果匹配分值最高的序列同样定位在Gm01之上。综合CAPS (GmSKCl)及连锁SSR标记BLAST大豆基因组序列库的结果,说明耐盐基因GmSKCl转化CAPS标记定位在Dla+Q连锁群上是准确的,为进行大豆耐盐分子标记辅助选择育种提供了一个标记资源。3、采用盆栽的方法,对经0.4% EMS处理的大豆南农94-16的405份M3代诱变材料进行苗期耐盐性鉴定。通过表型鉴定,发现诱变材料165和405的耐盐性优于对照南农94-16;对两份耐盐诱变材料与对照南农94-16进行了619对SSR引物的筛选,结果显示,有差异的引物6对,因此,用SSR标记检测DNA水平上的差异率为0.97%,一致性为99.03%,数据显示基因组水平上的差异很小。考察突变材料与对照的农艺性状,发现除百粒重变小外,其它性状没有差异或差异不显著。因此,确认165和405两份诱变材料是南农94-16的耐盐突变体。研究发现,差异的6对SSR引物分布在5个连锁群,说明了人工诱变的有效性和随机性。差异SSR标记与耐盐QTL的位置比较分析显示:差异的SSR标记Satt725位于K连锁群,和苗期耐盐主效QTL连锁标记Satt710的距离是5.9cM,进而推测其与耐盐基因连锁。
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