Drought- and salt-tolerant plants result from overexpression of the AVP1 H+-pump
- 作者
- Roberto A. Gaxiola, Jisheng Li, Soledad Undurraga, Lien M. Dang, Gethyn J. Allen, Seth L. Alper, Gerald R. Fink
- 单位
- Whitehead Institute for Biomedical Research, Massachusetts Institute of Technology; University of Connecticut, College of Agriculture and Natural Resources, Department of Plant Science; Harvard Medical School, Molecular Medicine and Renal Units, Beth Israel Deaconess Medical Center East Campus; Cell and Developmental Biology Section, Division of Biology and Center for Molecular Genetics, University of California at San Diego
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences（2001）
- DOI
- 10.1073/pnas.191389398
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决植物在盐碱和干旱环境下存活率低的问题，通过基因工程提高作物耐盐耐旱性
研究策略
过表达拟南芥液泡H+-焦磷酸酶编码基因AVP1，增强液泡质子电化学梯度，促进阳离子在液泡中的区室化积累，提高细胞渗透调节能力和水分保留
核心内容
该研究通过过表达拟南芥液泡H⁺-焦磷酸酶编码基因AVP1，考察其对植物耐盐和耐旱性的影响。转基因拟南芥株系AVP1-1和AVP1-2中AVP1蛋白水平分别比野生型高1.6倍和2.4倍。在250 mM NaCl处理下，野生型植物死亡而两种转基因系生长良好；在100 mM NaCl条件下，转基因系叶片Na⁺含量比野生型高20%和40%，K⁺含量高39%和26%。AVP1-2液泡膜囊泡的焦磷酸驱动⁴⁵Ca²⁺摄取比野生型高36%。干旱胁迫第6天，野生型相对含水量降至0.44，而AVP1-1为0.63，AVP1-2保持不变。溶质势测定显示AVP1-2达到-0.88 MPa，低于野生型的-0.73 MPa。研究还排除了气孔调节机制的参与。结果表明，单基因AVP1过表达通过增强液泡质子梯度促进阳离子区室化积累，提高渗透调节与水分保持能力，从而同时赋予植物耐盐和耐旱性，为作物抗逆改良提供了有效策略。
创新点
1. 首次证明单基因（AVP1）过表达可同时赋予植物耐盐和耐旱性；2. 生理和细胞学证据表明其机制是通过增强液泡质子泵活性促进阳离子隔离和水分保留，而非通过调节气孔开度
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 液泡离子转运与渗透调节 | AVP1 | AVP1 (液泡H+-焦磷酸酶) | 转运 | 过表达后增强液泡H+质子梯度，为Na+/H+反向转运体等提供驱动力，促进阳离子在液泡内积累 |
关键发现
- 转基因拟南芥AVP1-1和AVP1-2的AVP1蛋白水平分别比野生型高1.6倍和2.4倍
- 在250 mM NaCl处理下，野生型植物死亡而两种转基因系生长良好
- 在100 mM NaCl下，AVP1-1和AVP1-2叶片Na+含量比野生型高20%和40%，K+含量高39%和26%
- AVP1-2液泡膜囊泡的焦磷酸驱动45Ca2+摄取比野生型高36%
- 溶质势（Ψs）：野生型-0.73 MPa，AVP1-1 -0.76 MPa，AVP1-2 -0.88 MPa
- 干旱胁迫第6天，野生型相对含水量（RWC）降至0.44，AVP1-1为0.63，AVP1-2保持不变；第8天野生型0.38，AVP1-1
- 6，AVP1-2
- 76
- ABA和胞外Ca2+诱导的气孔关闭在转基因系和野生型间无显著差异
研究结论
过表达液泡H+-焦磷酸酶AVP1通过增强液泡质子梯度，促进Na+、K+和Ca2+在液泡中的积累，增加细胞溶质浓度和水分保留，从而显著提高拟南芥的耐盐和耐旱性，为作物抗逆遗传改良提供了有效策略