Tăng cường khả năng chống chịu hạn của cây trồng thông qua việc quá biểu hiện H+-PPase (TsVP) từ Thellungiella halophila ở cây bông

Planta - Tập 229 - Trang 899-910 - 2009
Su-Lian Lv1,2, Li-Jun Lian1, Pei-Lin Tao1, Zhao-Xia Li1, Ke-Wei Zhang1, Ju-Ren Zhang1
1School of Life Science, Shandong University, Jinan, China
2Institute of Vegetables, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan, China

Tóm tắt

Gen H+-PPase, TsVP từ Thellungiella halophila, được chuyển giao vào hai giống cây bông (Gossypium hirsutum) là Lumianyan19 và Lumianyan 21, và phân tích blotting nam và bắc cho thấy gen ngoại lai đã tích hợp thành công vào hệ gen của cây bông và được biểu hiện. Đo lường hoạt động của các túi màng vacuole cho thấy các cây chuyển gen có hoạt động V–H+-PPase cao hơn so với cây giống hoang dã (WT). Việc quá biểu hiện TsVP trong cây bông cải thiện sự phát triển của cành và r кор, và các cây chuyển gen kháng chịu tốt hơn nhiều so với WT khi chịu áp lực từ stress thẩm thấu/hạn hán. Trong điều kiện stress hạn hán, các cây chuyển gen có hàm lượng diệp lục cao hơn, cường độ quang hợp tốt hơn, hàm lượng nước tương đối trong lá cao hơn và ít tổn thương màng tế bào hơn so với WT. Chúng tôi cho rằng những đặc tính này có được nhờ sự phát triển r кор được cải thiện và áp suất hoà tan thấp hơn do hàm lượng chất hoà tan cao như đường tan và axit amin tự do trong các cây chuyển gen. Trong nghiên cứu này, năng suất bông hạt trung bình của các cây chuyển gen từ Lumianyan 19 và Lumianyan 21 đã tăng đáng kể so với WT sau 21 ngày chịu stress hạn hán trong giai đoạn ra hoa. Năng suất bông hạt trung bình cao hơn lần lượt là 51% và 40% so với các cây WT tương ứng. Nghiên cứu này góp phần vào nỗ lực cải thiện năng suất bông tại các khu vực khô hạn và bán khô hạn.

Từ khóa

#H+-PPase #TsVP #Thellungiella halophila #cây bông #sức chống chịu hạn #gen chuyển đổi #phát triển r кор #năng suất bông hạt

Tài liệu tham khảo

Arnon DI (1949) Copper enzymes in isolated chloroplasts Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol 24:1–15 Cornejo MJ, Blechel AE (1993) Activity of a maize ubiquitin promoter in transgenic rice. Plant Mol Biol 23:567–581 Fan L, Zheng S, Wang X (1997) Antisense suppression of phospholipase Dα retards abscisic acid- and ethylene promoted senescence of postharvest Arabidopsis leaves. Plant Cell 9:2183–2196 Gao F, Gao Q, Duan XG, Yue GD, Yang AF, Zhang JR (2006) Cloning of an H+-PPase gene from Thellungiella halophila and its heterologous expression to improve tobacco salt tolerance. J Exp Bot 57(12):3259–3270 Gaxiola R, Li J, Undurraga S, Dang LM, Allen GJ, Alper SL, Fink GR (2001) Drought- and salt-tolerant plants result from overexpression of the AVP1 H+-pump. Proc Natl Acad Sci USA 98:11444–11449 Gorham J (1996) Glycinebetaine is a major nitrogen-containing solute in the Malvaceae. Phytochem 43:367–369 Gupta SA, Berkowitz GA (1987) Osmotic adjustement, symplast volume, and nonstomatally mediated water stress inhibition of photosynthesis in wheat. Plant Physiol 89:1040–1047 He C, Yan J, Shen G, Fu L, Holaday AS, Auld D, Blumwald E, Zhang H (2005) Expression of an Arabidopsis vacuolar sodium/proton antiporter gene in cotton improves photosynthetic performance under salt conditions and increases fiber yield in the field. Plant Cell Physiol 46(11):1848–1854 Hoagland DR, Arnon DI (1950) The water-culture method for growing plants without soil. Univ Calif Agric Exp Stn Circ 347:1–32 Krieg DR (1983) Photosynthetic activity during stress. Agric Water Manage 7:249–263 Laffray D, Louguet P (1990) Stomatal responses and drought resistance. Bull Soc Bot Fr-Actual Bot 137:47–60 Leidi EO, Lópes JM, Lópes M, Gutierrez JC (1993) Searching for tolerance to water stress in cotton genotypes: photosynthesis, stomatal conductance and transpiration. Photosynthetica 28:383–390 Li B, Wei AY, Song CX, Li N, Zhang JR (2007) Heterologous expression of the TsVP gene improves the drought resistance of maize. Plant Biotechnol J 6:146–159 Li J, Yang H, Peer WA, Richter G, Blakeslee J, Bandyopadhyay A, Titapiwantakun B, Undurraga S, Khodakovskaya M, Richards EL, Krizek B, Murphy AS, Gilroy S, Gaxiola R (2005) Arabidopsis H+-PPase AVP1 regulates auxin-mediated organ development. Science 310:121–125 Liu RX, Wang YH, Chen BL, Guo WQ, Zhou ZG (2008) Effects of nitrogen levels on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics under drought stress in cotton flowering and boll- forming stage. Acta Agron Sin 34(4):675–683 Lv SL, Yin XY, Zhang KW, Zhang JR (2004) Agrobacterium mediated transformation of shoot apex of cotton and production of transgenic plants carrying beta gene. High Tech Lett 14:20–25 Lv SL, Zhang KW, Gao Q, Lian LJ, Song YJ, Zhang JR (2008) Overexpression of an H+-PPase gene from Thellungiella halophila in cotton enhances salt tolerance and improves growth and photosynthetic performance. Plant Cell Physiol 49:1150–1164 Naidu BP, Cameron DF, Konduri SV (1998) Improving drought tolerance of cotton by glycinebetaine application and selection. In: Proceedings of the 9th Australian Agronomy Conference, Wagga Wagga Park S, Li J, Pittman JK, Berkowitz GA, Yang H, Undurraga S, Morris J, Hirschi KD, Gaxiola R (2005) Up-regulation of an H+-pyrophosphatase (H+-PPase) as a strategy to engineer drought-resistant crop plants. Proc Natl Acad Sci USA 102:18830–18835 Peever TL, Higgins VJ (1989) Electrolyte leakage, lipoxygenase, and lipid peroxidation induced in tomato leaf tissue by specific and non specific elicitors from Cladosporium fluvum. Plant Physiol 90:867–875 Pinheiro HA, DaMatta FM, Chaves ARM, Loureiro ME, Ducatti C (2005) Drought tolerance is associated with rooting depth and stomatal control of water use in clones of Coffea canephora. Ann Bot 96:101–108 Plaut Z, Federman E (1991) Acclimation of CO2 assimilation in cotton leaves to water stress and salinity. Plant Physiol 97:515–522 Rosenow DT, Quisenberry JE, Wendt CW, Clark LE (1983) Drought-tolerant sorghum and cotton germplasm. Agrci Water Manage 7:207–222 Shi H, Lee B, Wu SJ, Zhu JK (2003) Overexpression of a plasma membrane Na+/H+ antiporter gene improves salt tolerance in Arabidopsis. Nat Biotechnol 21:81–85 Smart LB, Vojdani F, Maeshima M, Wilkins TA (1998) Genes involved in osmoregulation during turgor-driven cell expansion of developing cotton fibers are differentially regulated. Plant Physiol 116:1539–1549 Taiz L (1992) The plant vacuole. J Exp Biol 172:113–122 Troll W, Cannan RK (1953) A modified photometric ninhydrin method for the analysis of amino and imino acids. J Biol Chem 200(2):803–811 Tschaplinski TJ, Tuskan GA, Gebre GM, Todd DE (1998) Drought resistance of two hybrid Populus clones grown in a large-scale plantation. Tree Physiol 18:653–658 Wu CA, Yang GD, Meng QW, Zheng CC (2004) The cotton GhNHX1 gene encoding a novel putative tonoplast N+/H+ antiporter plays an important role in salt stress. Plant Cell Physiol 45:600–607 Yang H, Knapp J, Koirala P, Rajagopal D, Peer WA, Silbart L, Murphy A, Gaxiola R (2007) Enhanced phosphorus nutrition in monocots and dicots over-expressing a phosphorus-responsive type I H+-pyrophosphatase. Plant Biotechnol J 5:735–745 Yemm EW, Willis AJ (1954) The estimation of carbohydrates in plant extracts by the anthrone. Biochem J 57:508–514