[发明专利]一种提高植物非生物胁迫耐受性的基因PalZAT10-1及其应用

说明书

本发明属于分子克隆与基因工程领域，具体涉及一种提高植物非生物胁迫耐受性的基因PalZAT10‑1及其应用。所述基因PalZAT10‑1定位于细胞核，在新疆杨中过表达基因PalZAT10‑1，能促进植物分支，根系发育和气孔关闭，提高抗氧化活性，光合速率和水分利用效率；在新疆杨中敲除PalZAT10‑1基因获得的palzat10‑1lines，其表型则与PalZAT10‑1OE lines完全相反；该基因对于预防植物水分损失，培养优良抗逆树种方面具有重要的意义，为促进我国对杨树树木资源的深入研究和开发利用奠定基础。

技术领域

本发明属于分子克隆与基因工程领域，特别涉及一种提高植物非生物胁迫耐受性的基因PalZAT10-1及其应用。

背景技术

非生物胁迫是全世界作物损失的主要原因，对于主要作物植物降低超过50％的平均产量，每年引起价值数百万美元的损失。非生物胁迫导致一系列不利地影响植物生长和产率的形态学、生理学、生物化学和分子上的变化。非生物胁迫包括高盐胁迫、干旱胁迫、渗透胁迫、氧化胁迫、强光胁迫、低温胁迫等。其中干旱和高盐引起的土壤水分亏缺是最重要的环境胁迫，严重限制了植物的生长、产量和分布。高盐度，尤其是钠离子(Na⁺)，可以消散膜电势，对细胞代谢是有毒的，对一些植物的酶的机能具有有害作用。此外，高浓度的Na⁺引起渗透失衡、膜组织破坏、生长降低、抑制细胞分裂/扩展，可以导致光合作用和活性氧簇生产量的降低；干旱条件破坏正常的膜的双层结构，除膜损伤之外，当脱水时，细胞溶质蛋白和细胞器蛋白会表现出降低的活性或甚至会经历完全的变性，干旱也可以引起细胞的代谢瓦解并减少营养生长，尤其是芽生长。

植物可以在多个层面对缺水做出积极响应，例如，植物能够调节气孔孔径以减少蒸腾作用；其中，转录因子(TF)，例如水稻中的HD-Zip(OsTF1L)、GATA(PdGNC)、杨树中的bZIPs(ABFs)，植物激素，例如，ABA、乙烯和Jas；Ca²⁺信号和与ABA激素信号通路相关的MAPK蛋白激酶都参与了植物通过调节气孔关闭来提高胁迫耐受性；此外，信号分子，包括保卫细胞中积累的H₂O₂、NO和H₂S，也参与调节气孔运动。尽管这种响应干旱胁迫的气孔运动研究已经进行了很长时间，但总信号转导途径仍不清楚。

C2H2蛋白属于锌指蛋白(ZFP)TF家族，在形态发生、转录激活和应激反应中发挥重要作用。C2H2-ZFP包含由大约30个氨基酸组成的锌指结构，具有保守序列X2-CX(2-4)-CX12-HX(2-8)-H(X代表任何氨基酸)。在植物基因组中，C2H2-ZFP经历了广泛的谱系特异性扩增或收缩，并包含一个特别保守的QALGGH基序和特定的DNA结合域，它们在植物的表型多样性和环境适应性。C2H2-ZFP代表了来自矮牵牛、大豆、拟南芥、水稻和马铃薯中鉴定的一类重要的真核TF。在矮牵牛中，ZPT2-3在干旱和寒冷胁迫下上调，其过表达可以增强植物对干旱胁迫的耐受性；水稻中的ZFP252已被证明参与维持细胞内渗透压的稳态以及增强盐和干旱胁迫耐受性；甘氨酸大豆过表达品系中的GsZFP1也与小气孔相关并损害ABA诱导的气孔关闭；在拟南芥中ZAT10的组成型表达增加了植物对渗透、盐度和热胁迫的耐受性；此外，作为拟南芥中的阳性TF，STZ/ZAT10可以被丝裂原活化蛋白激酶3/6(MPK3/6)磷酸化，以增强渗透胁迫耐受性。这些结果表明，C2H2型锌指参与植物中盐分、低温、强光和广泛氧化的各种胁迫响应。但是木本植物中的C2H2-ZFP的鉴定和功能却只有较少的研究。

新疆杨(Populus alba var.pyramidalis)是白杨(Populus alba var.alba)的一种变种，只见雄性。因其生长快、缺乏絮状种子、茎直立、生物量高等特点，被广泛栽培用于城市绿化、生态修复和木材利用。在中国北方，从新疆到北京都可以栽培新疆杨。先前的研究表明，该品种是通过选择、驯化和克隆分布在中亚干旱地区的一个或多个个体雄性白杨获得的。新疆杨总是被人工扦插栽培，容易存活，所以可以大规模繁殖；同时，新疆杨生长在西北地区，对盐和干旱胁迫有一定的耐受性。