Transgenic Alfalfa Plants Expressing the Sweetpotato Orange Gene Exhibit Enhanced Abiotic Stress Tolerance
- 作者
- Zhi Wang, Qingbo Ke, Myoung Duck Kim, Sun Ha Kim, Chang Yoon Ji, Jae Cheol Jeong, Haeng-Soon Lee, Woo Sung Park, Mi-Jeong Ahn, Hongbing Li, Bingcheng Xu, Xiping Deng, Sang-Hoon Lee, Yong Pyo Lim, Sang-Soo Kwak
- 单位
- Plant Systems Engineering Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB), Daejeon, 305-4432, Korea; Department of Horticulture, Chungnam National University, Daejeon, Korea; State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi, P.R. China; Grassland and Forages Division, National Institute of Animal Science, Rural Development Administration, Cheonan, Korea; College of Pharmacy and Research Institute of Pharmaceutical Sciences, Gyeongsang National University, Jinju, Korea; Department of Green Chemistry and Environmental Biotechnology, Korea University of Science & Technology, Daejeon, Korea
- 杂志
- PLoS ONE（2015）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0126050
- 所属领域
- 植物遗传工程与逆境生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
土壤盐渍化和干旱胁迫严重影响苜蓿等作物的产量和品质，亟需开发兼具多重非生物胁迫耐受性和更高营养价值的苜蓿品种。
研究策略
将甘薯IbOr基因置于氧化胁迫诱导型SWPA2启动子下游，通过农杆菌介导法转化苜蓿（cv. Xinjiang Daye），筛选高表达株系并系统评估其氧化、盐、干旱胁迫耐受性及类胡萝卜素含量。
核心内容
本研究将甘薯IbOr基因置于氧化胁迫诱导型SWPA2启动子下游，通过农杆菌介导法转化新疆大叶苜蓿，获得11个转基因株系，其中SOR2、SOR3、SOR8表达量最高。在甲基紫精诱导氧化胁迫24小时后，这三个株系的离子渗漏率分别仅为32%、22.8%和31.7%，远低于非转基因对照的68.2%；250 mM NaCl处理7天后，转基因株系叶绿素含量仅下降21%–25%，而对照下降34%–46%，且游离脯氨酸含量达到对照的2.9–3.7倍；干旱胁迫3天后，SOR2/3/8的相对含水量分别维持在92.1%、93.6%和94.3%，而对照降至61.2%，复水后转基因株系几乎全部恢复。干旱条件下，转基因株系总类胡萝卜素含量为对照的1.3–1.7倍，其中β-胡萝卜素达到对照的1.51–2.0倍，但类胡萝卜素生物合成关键酶基因（MsPSY、MsCHY-β等）表达并未上调，表明IbOr通过增强类胡萝卜素库强度而非促进合成基因表达来驱动积累。该策略实现了多重非生物胁迫耐受性与营养品质的协同提升，使转基因苜蓿有望在边际土地可持续种植。
创新点
首次在苜蓿中利用胁迫诱导型SWPA2启动子驱动IbOr表达，实现多重非生物胁迫耐受性和类胡萝卜素积累的协同提升；揭示IbOr通过增强类胡萝卜素库强度而非上调生物合成基因表达来促进积累。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 苜蓿（Medicago sativa L. cv. Xinjiang Daye） | 类胡萝卜素生物合成 | IbOr | IbOr | 调控 | 来自甘薯的Orange蛋白，增强类胡萝卜素积累和多重胁迫耐受性 |
| 苜蓿（Medicago sativa L. cv. Xinjiang Daye） | 类胡萝卜素生物合成 | MsPSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 内源类胡萝卜素合成基因，干旱下表达升高但不受IbOr显著影响 |
| 苜蓿（Medicago sativa L. cv. Xinjiang Daye） | 类胡萝卜素生物合成 | MsCHY-β | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 内源类胡萝卜素合成基因，干旱下表达升高但不受IbOr显著影响 |
| 苜蓿（Medicago sativa L. cv. Xinjiang Daye） | 类胡萝卜素生物合成 | MsLCY-β | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 内源类胡萝卜素合成基因，干旱下表达升高但不受IbOr显著影响 |
| 苜蓿（Medicago sativa L. cv. Xinjiang Daye） | 类胡萝卜素生物合成 | MsNCED | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | 内源类胡萝卜素合成基因，参与ABA合成，干旱下表达升高但不受IbOr显著影响 |
关键发现
- 共获得11个转基因苜蓿株系，其中SOR2、SOR3、SOR8的IbOr表达量最高。MV诱导氧化胁迫24 h后，SOR2/3/8的离子渗漏率分别为32%、22.8%、31.7%，显著低于非转基因对照的68.2%。250 mM NaCl处理7天，SOR株系叶绿素含量仅降低21%–25%，而对照降低34%–46%
- 盐胁迫下SOR株系游离脯氨酸含量是对照的2.9–3.7倍。干旱胁迫3天后，对照相对含水量（RWC）为61.2%，SOR2/3/8分别为92.1%、93.6%、94.3%。干旱胁迫下SOR株系总类胡萝卜素含量为对照的1.3–1.7倍，其中叶黄素、紫黄质和β-胡萝卜素分别达到对照的1.2–1.6、1.5–2.0和1.51–2.0倍。复水后SOR株系几乎全部恢复，对照几乎死亡。
研究结论
在胁迫诱导型SWPA2启动子驱动下表达IbOr可显著增强苜蓿对氧化、盐和干旱胁迫的耐受性，并提高类胡萝卜素积累，使SOR苜蓿有望成为边际土地上可持续种植的优质饲料作物。