Transformation of tomato with a bacterial codA gene enhances tolerance to salt and water stresses
- 作者
- Deepa Goel, Ajay K. Singh, Vichita Yadav, Shashi B. Babbab, Norio Murata, Kailash C. Bansal
- 单位
- National Research Centre on Plant Biotechnology, Indian Agricultural Research Institute, New Delhi-110 012, India; Department of Botany, University of Delhi, North Campus, New Delhi-110 007, India; National Institute for Basic Biology, Okazaki 444-8585, Japan
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2011.01.010
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
番茄缺乏甘氨酸甜菜碱合成所需的酶，无法合成该渗透保护剂，因而对盐和水分胁迫敏感，影响种子萌发、植株生长和产量。
研究策略
利用农杆菌介导转化法，将来自球形节杆菌（Arthrobacter globiformis）的codA基因（编码胆碱氧化酶）导入番茄，并在Rubisco小亚基转运肽引导下靶向叶绿体，使转基因番茄合成甘氨酸甜菜碱，从而增强耐盐和耐水分胁迫能力。
核心内容
该研究通过农杆菌介导转化法，将来自球形节杆菌的codA基因导入番茄品种Pusa Ruby，并利用Rubisco小亚基转运肽将编码的胆碱氧化酶靶向叶绿体，使转基因番茄获得合成甘氨酸甜菜碱的能力。在获得的三个T1转基因株系中，叶片甘氨酸甜菜碱含量达214~297 nmol/g鲜重，而野生型完全检测不到。在含100和150 mM NaCl的培养基上，野生型种子无法萌发，转基因种子则保持高萌发率；经150 mM NaCl处理10天或停水7天后，转基因株系叶片相对含水量分别仅从87%降至82%和78%，而野生型从77%降至57%和55%，且转基因株系在叶绿素含量、株高和叶片扩展方面均显著优于野生型。此外，转基因植株在盐胁迫下脯氨酸积累量约为野生型的两倍（64对35 μg/g鲜重）。结果表明，引入codA基因使番茄合成甘氨酸甜菜碱，显著增强了其对盐和水分胁迫的耐受性，胁迫解除后转基因植株能完全恢复，而野生型不能，该策略可为提高盐碱地和旱地番茄产量提供可行途径。
创新点
首次系统研究了codA转基因番茄对盐胁迫和水分胁迫的耐受性；将胆碱氧化酶靶向叶绿体，提高甘氨酸甜菜碱在叶绿体中的积累以保护光合机构；揭示了codA基因可提高脯氨酸积累等生理响应。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) cv. Pusa Ruby | 甘氨酸甜菜碱生物合成 | codA | 胆碱氧化酶 (choline oxidase) | 催化 | 来自球形节杆菌 Arthrobacter globiformis，催化胆碱氧化生成甘氨酸甜菜碱 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) cv. Pusa Ruby | 蛋白质靶向 | Rubisco小亚基转运肽cDNA | Rubisco小亚基转运肽 | 区室化 | 引导胆碱氧化酶定位至叶绿体，使甘氨酸甜菜碱在叶绿体中积累 |
| 番茄 (Lycopersicon esculentum) cv. Pusa Ruby | 抗性筛选 | nptII | 新霉素磷酸转移酶 | 催化 | 作为转基因筛选标记，赋予卡那霉素抗性 |
关键发现
- 转基因番茄T1株系46-1、46-2、46-3叶片中甘氨酸甜菜碱含量分别为297±18、256±15、214±12 nmol/g鲜重，叶绿体中分别为8.6±1.2、7.2±0.9、5.5±0.7 nmol/mg叶绿素，野生型均为0。在含100和150 mM NaCl的培养基上，野生型种子不萌发，而转基因种子萌发率高。盐胁迫（150 mM NaCl处理10天）下，野生型叶片相对含水量从77±5%降至57±4%，转基因（46-1/46-2）从87±6%降至82±5%
- 水分胁迫（停水7天）下，野生型从77±5%降至55±5%，转基因从87±6%降至78±5%。盐胁迫下野生型叶片扩展从1.1±0.07 cm降至0.5±0.07 cm，转基因从1.4±0.09 cm降至1.2±0.09 cm
- 株高野生型从15.0±1.1 cm降至9.5±0.1 cm，转基因从20.5±1.2 cm降至18.0±1.5 cm。水分胁迫下野生型株高从15.0±1.1 cm降至3.5±1.1 cm，转基因从21.0±1.2 cm降至8.5±1.5 cm。叶绿素含量在盐胁迫下野生型从2.50±0.30 mg/g FW降至1.29±0.25 mg/g FW，转基因从3.40±0.30 mg/g FW降至3.26±0.25 mg/g FW
- 水分胁迫下野生型降至1.64±0.20 mg/g FW，转基因降至2.73±0.25 mg/g FW。脯氨酸含量在非胁迫下野生型为20.0±2.2 μg/g FW，转基因（46-2）为37.0±2.5 μg/g FW
- 150 mM NaCl处理下分别为35.0±2.5和64.0±3.0 μg/g FW
- 200 mM NaCl处理下分别为48.0±3.5和82.0±4.5 μg/g FW。
研究结论
引入细菌codA基因使番茄合成甘氨酸甜菜碱，显著提高了番茄对盐胁迫和水分胁迫的耐受性，表现为种子萌发率提高、幼苗生长加快、相对含水量和叶绿素含量维持较高水平、脯氨酸积累增加；转基因植株在胁迫解除后能完全恢复，而野生型不能。该策略可用于提高盐碱地和旱地番茄产量。