高级醇 · 代谢工程文献库

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Overexpression of Vitreoscilla hemoglobin increases waterlogging tolerance in Arabidopsis and maize

作者
Hewei Du, Xiaomeng Shen, Yiqin Huang, Min Huang, Zuxin Zhang
单位
Engineering research center of Ecology and Agricultural Use of wetland, Ministry of Education, Yangtze University, Jingzhou 434025, P.R. China; National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, P.R. China; College of Life Science, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434025, P.R. China; Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Crops, Yangtze University, Jingzhou 434025, P.R. China; Food Crops Institute, Hubei Academy of Agriculture Sciences, Wuhan 430064, P.R. China
杂志
BMC Plant Biology（2016）
DOI
10.1186/s12870-016-0728-1
所属领域
代谢工程
关键词
Arabidopsis thalianaGenetic transformationMaize (Zea mays L.)Vitreoscilla hemoglobinWaterlogging
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解决的核心问题

玉米和拟南芥对水涝（缺氧）胁迫耐受性差，导致产量损失，需要提高其耐涝性。

研究策略

将来自透明颤菌的血红蛋白（VHb）基因在CaMV35S启动子控制下分别转入拟南芥和玉米，并通过分子标记辅助回交导入优良自交系，通过水涝处理评估表型及生理生化指标。

研究路线图

100%
问题：玉米/拟南芥耐涝性差
策略：VHb基因过表达
关键改造：35S启动子驱动VHb
受体：拟南芥（35S::VHb）
受体：玉米郑58/CML50
结果：转基因系水涝存活
结果：ADH1/POD活性上升
结论：VHb提高耐涝性
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核心内容

该研究通过农杆菌介导法将透明颤菌血红蛋白（VHb）基因分别转入拟南芥和玉米优良自交系郑58与CML50，利用CaMV35S启动子驱动表达，并结合回交转育获得耐涝性显著提升的转基因材料。在水涝处理下，VHb转基因拟南芥经14天渍水仍保持绿色而对照死亡，株高（5.5厘米和5.4厘米）显著高于对照（4.9厘米），地上部干重较对照增加20%以上。玉米中，水涝7天后，郑58（VHb）和CML50（VHb）的株高、主根长、侧根数及干重均显著优于各自野生型对照，其中郑58对照株高从正常35.67厘米降至29.51厘米，而VHb株系与正常水平接近。分子生理检测显示，VHb植株在渍水3天和5天时ADH1 mRNA表达量显著高于对照，CML50（VHb）的过氧化物酶（POD）活性也高于对照。结果表明，外源VHb通过增强酒精发酵相关基因表达和活性氧清除能力，缓解缺氧胁迫对生长的抑制，为作物耐涝性改良提供了可用的分子工具。

创新点

首次在玉米优良自交系郑58和CML50中过表达VHb基因，并通过回交转育获得耐涝性显著提高的转基因材料，同时揭示了VHb通过增强ADH1表达和POD活性来缓解水涝胁迫。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 氧代谢/呼吸作用 VHb VHb (Vitreoscilla hemoglobin) 能量供给 过表达提高水涝耐受性
玉米 (Zea mays) 氧代谢/呼吸作用 VHb VHb (Vitreoscilla hemoglobin) 能量供给 通过基因枪转化和标记辅助回交导入郑58和CML50
玉米 (Zea mays) 酒精发酵 ADH1 ADH1 (alcohol dehydrogenase) 催化 水涝胁迫下表达上调
玉米 (Zea mays) 活性氧清除 — POD (peroxidase) 催化 水涝下酶活性升高

关键发现

  1. 拟南芥中，水涝14天后VHb转基因植株仍为绿色而对照死亡
  2. VHb株高（5.5 cm和5.4 cm）显著高于对照（4.9 cm），主根长约1.5 cm，侧根数更多，地上部干重高于对照20%以上。玉米中，水涝7天后，郑58(VHb)和CML50(VHb)的株高、主根长、侧根数、根干重和地上部干重均显著优于各自野生型对照
  3. 例如郑58对照株高从正常35.67 cm降至29.51 cm，而VHb系与正常相近
  4. ADH1 mRNA水平在3天和5天时显著高于对照
  5. CML50(VHb)的POD酶活性高于对照。

研究结论

外源VHb基因的表达能够显著提高拟南芥和玉米的耐涝性，可作为作物耐涝性改良的有效分子工具。