小麦NF-Y家族基因TaN...YA1介导植株耐旱功能研究_解亚蒙.pdf

第 46 卷第 1 期2023 年 1 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.1Jan.2 0 2 3小麦 NF-Y 家族基因 TaNF-YA1 介导植株耐旱功能研究解亚蒙1，赵晓蕾2，白菁华1，孙丽颖2，马自飞1，路文静1，肖 凯2(1.河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071001；2.河北农业大学 农学院，河北 保定 071001)摘要：NF-Y 型转录因子在调控植物生长发育和介导植株抵御非生物胁迫中发挥着重要功能。本研究分析了小麦NF-YA 家族转录因子基因 TaNF-YA1 分子特征、应答干旱表达模式和介导植株耐旱生物学功能。TaNF-YA1 在核苷酸序列上与一粒小麦 TmNF-YA9 高度同源。干旱处理下，根系和叶片中该基因表达丰度随处理进程不断增大，处理后 24 h 达到峰值，48 h 保持稳定；将处理后 48 h 植株转入正常生长后根叶中该基因转录本随恢复处理进程不断减少。与野生型对照（WT）相比，干旱处理下，正义表达 TaNF-YA1 烟草株系（Sen 1 和 Sen 2）生长势增强，植株个体增大，根鲜重提高，干质量增加，光合碳能力提升，细胞抗氧化酶活性增强。该正义株系干旱胁迫下气孔关闭速率加快，离体叶片持水率增大。干旱处理下 Sen 1 根系发育基因（NtPIN1 和 NtPIN4）和抗氧化酶基因（NtSOD1.1、NtCAT2.2 和 NtPOD4.1）表达水平较 WT 显著增高。与 WT 相比，反义表达 TaNF-YA1烟草株系（Anti 1 和 Anti 2）干旱处理下植株生长势、干物质积累、生理参数（光合生理参数、细胞保护酶活性、气孔关闭速率、叶片持水率）和基因表达特征与 Sen 1 和 Sen 2 呈相反趋势。这些结果表明，TaNF-YA1 通过在转录水平上对干旱胁迫产生应答，调控植株干旱适应相关生理生化过程，改善植株根系发育、光合物质生产和细胞活性氧稳态，进而增强植株抵御干旱胁迫能力。关 键 词：小麦；转录因子；TaNF-YA1 基因；干旱胁迫；遗传转化；功能分析中图分类号：S512 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：文献标志码：AFunctional characterization of wheat TaNF-YA1,a NF-Y transcription factor gene in mediating drought resistanceXIEYameng1,ZHAOXiaolei2,BAIJinghua1,SUNLiying2,MAZifei1,LUWenjing1,XIAOKai2(1.College of Life Sciences,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China;2.College of Agronomy,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China)Abstract:NF-Y-type transcription factors play an important role in regulating plant growth and development and mediating plant resistance to abiotic stress.This study investigated the molecular characteristics,expression pattern in response to drought stress,and biological function in mediating plant drought tolerance of a transcription factor gene TaNF-YA1 belonging to the wheat NF-YA family.TaNF-YA1sequence was highly similar to TmNF-YA9 of Triticum monococcumin.Under drought treatment,the expression of TaNF-YA1 in roots and leaves increased continuously and peaked at 24 h after treatment,which remained stable until 48 h after treatment.In addition,the gene transcripts in 收稿日期：2022-06-04基金项目：国家自然科学基金项目（31872869；32071935）；大中学生科技创新能力培育专项（22E50043D）；河北农业大学科研发展基金计划项目（JY2021022）.第一作者：解亚蒙（1998），女，河北清河人，硕士研究生，主要从事植物抗逆细胞分子生物学研究.E-mail：通信作者：路文静（1964），女，河北高碑店人，硕士，教授，主要从事植物抗逆细胞分子生物学研究.肖 凯（1963），男，河北抚宁人，博士，教授，主要从事作物生理研究.E-mail：本刊网址：http:/文章编号：1000-1573(2023)01-0001-09DOI：10.13320/ki.jauh.2023.00012第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报roots and leaves decreased gradually when plants were recovered to normal condition after 48 h of drought treatment.Compared with the wild-type(WT)control,the growth vigor of the tobacco lines overexpressing sense TaNF-YA1(Sen 1 and Sen 2)was enhanced under drought treatment,showing increasedplant size,fresh and dry weight of root.Moreover,these transgenic lines displayed enhancedability of photosynthetic carbon assimilationactivity of cellular antioxidant enzymes,and increased stomatal closure rate andwater holding capacity in the isolated leaves after drought stress.The expression levels of the antioxidant enzyme genes(NtSOD1.1,NtCAT2.2 and NtPOD4.1)and root development-associated genes(NtPIN1 and NtPIN4)were significantly increased in Sen 1 under drought treatment in comparison with the WT plants.Consistently,the tobacco lines expressing antisense TaNF-YA1(Anti 1 and Anti 2)showed decrease in plant growth,dry matter accumulation,physiological parameters(photosynthetic physiological parameters,cell protective enzyme activity,stomatal closure rate,water holding capacity of leaf)and drought related gene expressions.This study suggested that TaNF-YA1 promotes root development,photosynthetic assimilate production and homeostasis of cellular reactive oxygen species(ROS),and responds to drought stress to regulate the physiological and biochemical processes related to plant drought resistance,contributing to enhancement of the plant drought resistance.Keywords:wheat;transcription factor;TaNF-YA1 gene;drought stress;genetic transformation;functional analysis转录因子通过与其下游基因启动子区顺式作用元件专一性结合，行使对功能基因的转录调控功能，在介导植株生长、发育及响应和抵御生物、非生物逆境过程中发挥重要生物学功能 1。NF-Y（Nuclear factor Y）蛋白为真核生物共有的一类转录因子，该类别转录因子由 NF-YA、NF-YB 和 NF-YC 3 种不同亚基组成，通过特异性结合目的基因启动子中CCAAT-box顺式作用元件，调控下游基因的转录2。与众多其他类别转录因子类似，NF-Y 转录因子及其组成亚基广泛参与植物生长发育过程，如胚胎发育、光合作用、光周期和花器官建成，以及植株对逆境胁迫的响应3-7。拟南芥 NF-YA 家族成员 AtNF-YA9 通过介导脱落酸（ABA）信号调节种子萌发过程8，过表达 AtNF-YA2 则通过下调表达ABA 响应基因，衰减 ABA 信号传递效率，阻滞种子萌发进程9。NF-YA 转录因子还参与植株根尖顶端分生组织的长度和侧根密度的调节10，进而影响植株根系发育和根体建成11。过表达百慕大草 NF-YC 家族基因 CdtNF-YC1，显著提高盐分处理下水稻株系ABA、过氧化氢（H2O2）和一氧化氮（NO）信号通路下游基因表达丰度，增强植株抵御盐分胁迫逆境能力12。水稻 NF-YC 家族基因 OsNF-YC13转录效率在盐胁迫条件下显著上调，参与植株对渗透胁迫逆境的响应过程13。紫花苜蓿 MsNF-YB4在高盐胁迫下在根和根瘤中的表达量上调，进而对渗透胁迫响应基因进行转录调节，在介导植株抵御盐胁迫过程中发挥重要作用14。对白菜、大豆等种属 NF-Y 组成亚基编码基因的研究也表明，特定NF-Y 亚基基因通过对渗透胁迫产生应答，参与植株对干旱、盐分等非生物逆境的适应和抵御过程15-17。小麦族植物共有 10 个 NF-YA 家族成员、11 个NF-YB 家族成员和 14 个 NF-YC 家族成员18。对其中 NF-YB 家族成员 TaNF-YB3 生物学功能研究表明，该基因对叶绿素生物合成和光合速率具有正向调控效应19。有关小麦种属 NF-Y 家族成员分子特征及生物学功能研究较少。我们对干旱胁迫具有明显应答特征的 1 个 NF-YA 家族基因 TaNF-YA1 的分子特征及介导植株抵御干旱逆境功能进行了系统研究，旨在为今后小麦耐旱遗传改良提供基因资源和理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料选用实验室前期鉴定的小麦品种石麦 22（抗旱品种）作为基因克隆和表达分析材料，采用烟草品种Wisconsin 38作为基因遗传转化受体材料。1.2 TaNF-YA1 系统进化特征分析利 用 ExPASy-ProtParam 在 线 工 具 分 析 TaNF-YA1（登 录 号：KF952517）编 码 蛋 白 氨 基 酸 组成、分子量和等电点（pI）。采用 NCBI 数据库BLASTn 工具查找植物种属中 TaNF-YA1 同源基因，利用 DNAStar 工具建立 TaNF-YA1 与其同源基因的系统进化树。1.3 TaNF-YA1 应答干旱表达模式研究将饱满石麦 22种子在培养箱内萌发，幼苗转入 MS 营养液培养至三叶期。幼苗转移至含3第 1 期有 10%聚乙二醇-6000 的 MS 营养液培养进行模拟干旱处理。处理后 6、12、24 和 48 h 选取根叶样本，以处理前（0 h）根叶作对照。利用上述样本研究 TaNF-YA1 应答干旱逆境表达模式。为分析该基因对恢复正常生长条件的响应特征，将部分经过 48 h干旱处理的幼苗再度转移至正常MS营养液中进行恢复处理，取 6、24 和 48 h 根叶样本，用于分析TaNF-YA1 表达对恢复处理的响应特征。利用 TRIzol试剂提取各时间样点根叶总 RNA，采用实时定量PCR 检测样本中 TaNF-YA1 转录本丰度。扩增供试基因的正向引物为：5-GGAGGGCGGTTCCTCAACA，反 向 引 物 为：5-GCTTGACATGTTGGAGGGAG。以 小 麦 组 成 型 表 达 基 因 Tatubulin 作 为 对TaNF-YA1 转 录 本 均 一 化 内 标（正 向 引 物 为：5-CATGCTATCCCTCGTCTCGACCT，反向引物为：5-CGCACTTCATGATGGAGTTGTAT）。1.4 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系植株长势、根系鲜重和干质量测定采用 RT-PCR 技术分别扩增 TaNF-YA1 编 码 阅 读 框 正 义 序 列（正 向 引 物 为：5-AAACCATGGAGGATCATCCTGGC，反 向 引 物为：5-AAAGGTAACCTTACCTCATCATGGAAG）和反义序列（正向引物为：5-AAATGGAAGCGCG CTGGTGCAT，反向引物为：5-AAAGGTCACCTC AAGACCCCCATC）。将 扩 增 产 物 分 别 整 合 至双元表达载体 pCAMBIA3301 构建基因表达质粒pCAMBIA3301-TaNF-YA1。采用常规热激法将表达质粒转化农杆菌（菌株 EHA105），采用农杆菌介导的遗传转化法转化烟草（Wisconsin 38）获得转化株系20。以获得的 TaNF-YA1 正义表达株系（Sen 1 和 Sen 2）、反义表达株系（Anti 1 和 Anti 2）以及未进行遗传转化的野生型（WT，对照）为材料，采用 MS 营养液培养幼苗至五叶期后，选取长势均匀的各转化株系和 WT 幼苗，进行正常生长处理（MS培养）和干旱处理（5%PEG-6000）。处理 3 周后，用数码相机记录不同处理下转化株系和 WT 植株长势。另选取各处理供试材料 3 株代表性植株，测定根系鲜重和植株干质量。1.5 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系干旱响应生理参数测定以正常生长处理和干旱处理后转化株系和 WT 植株上位展开叶为材料，测试下述干旱响应生理参数。1.5.1光合参数采用光合测定系统 LI-6400，LI-CORincorporation，USA）测定光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等光合参数。测定时光通量密度为800 molE/(m2 s)，CO2浓度 360 l/L，温度 28。1.5.2 细胞活性氧（ROS）稳态参数 参照Shi等21 的方法测定的细胞 ROS 稳态参数包括超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、过氧化物酶（POD）活性和细胞膜质过氧化物丙二醛（MDA）含量。1.5.3 气孔开度 选取干旱处理前（0 h）和处理后不同时间点（0.25、0.5 和 1 h）叶片，剪取转化株系（Sen 1 和 Anti 1）及 WT 叶片，立刻用指甲油将气孔固定，再用洁净镊子仔细撕取表皮，置于显微镜下观测气孔开度，记录干旱处理下转化株系和WT 不同时间点气孔开度特征。1.5.4 叶片持水率 选取正义株系（Sen 1和Sen 2）、反义株系（Anti 1 和 Anti 2）和 WT 植株上位展开叶片，置于洁净工作台上进行水分亏缺处理，在处理后不同时间点（0.5、1、1.5 和 2 h）用电子天平称量各叶片鲜重值，通过各处理时间点与刚剪下（0 h）鲜重相比降低值计算叶片失水率。1.5 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系根系发育和保护酶基因表达特征以干旱处理后转化株系和 WT 根系为材料，采用前述的方法提取样本总 RNA 及进行实时定量 PCR 分析，检测根系发育和细胞抗氧化酶基因的转录本丰度。其中，用于检测根系发育相关的基因为 PIN-FORMED（PIN）家族基因，包括NtPIN1 NtPIN4；用于检测细胞保护酶家族基因为SOD 家族基因（NtSOD1.1、NtSOD1.2、NtSOD2 和NtSOD3）、CAT 家 族 基 因（NtCAT1、NtCAT2.1、NtCAT2.2 和 NtCAT3）和 POD 家族基因（NtPOD1.1、NtPOD2.1、NtPOD3.1 和 NtPOD4.1）。以烟草组成型表达基因 NtActin 作为对上述基因转录本均一化内标。上述各家族基因登录号和扩增引物见表 1。解亚蒙，等：小麦 NF-Y 家族基因 TaNF-YA1 介导植株耐旱功能研究4第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报表 1 根系发育和细胞保护酶基因信息和扩增引物Table 1 Information of genes for root development and cellular protective enzymes as well as their primers基因名Gene name登录号Number引物序列（5-3）Primer sequence(5-3)NtPIN1KC347302ACCGGTGATGTTGTGGTTGTGTTGAATGCATTGCGGAGCANtPIN2KC433529AACCGCCGGAGTTCAAGATTTACGTGTTCGGGTTACGGATNtPIN3KC460399TACGTGTTCGGGTTACGGATCTCCCACCAGCAACCATTGANtPIN4KC433528TGTGGGAATACAGTTGCTGCTGCAATATGCAAGAGCACGCCNtSOD1.1EU123521ACCGACAAGCAGATTCCTCTGCTTTACTGAGCTCGTGTCCTNtSOD1.2KJ874395TGTCGTGTCAAGGCTGTGTTTTCCGACCTGTTTGCTCCAANtSOD2AB093097GGCGGAGGTCACATTAACCATCTTTGTCCACACCAAGCCANtSOD3KF724056ACACAATTTGGCTCCGGTTGGGCATGCTCCCAAACGTCTANtCAT1NTU07627CGACTACCTTGCCGAGGAAAGCGGGCTTGGTCTTTTGGCTGAGNtCAT2.1EF532799ACACCGCATTGGACCAAACTAGGATCAAACCTTGAGGGCANtCAT2.2NTU93244TCCTGCTAATGCTCCAAAGTAATGCATATGTATTAGGAATNtCAT3HF564631TGTTCGCCATGCTGAGAAGTGGATCAGACAAGGCCTCCACNtPOD1.1AB044154ATTGACATTCGGCGTGGAGTCAGCTTGCGCTGACTGAAAGNtPOD2.1AB178953TCAATGCAACTGCTCCGTCAGGTGGTATTCCCCGTCAACANtPOD3.1AB027752TGCTGTTGGCCTTTCTACCATGGTGCCAAATTGTTGTCCCNtPOD4.1AB178954CCAACACGCCTGTATCTTGCATTGTCGAACGGAGCTGGAANtActinU91563CCAAGATGCTACTGCAGACGAACATCAACTGGAGGTTGTGGTT1.6 数据统计学分析采用 Microsoft Excel 和 DPS 7.05 软件进行数据处理和统计学显著性测试及分析。其中，各测试性状数据均来自 3 次重复结果，采用 Dunn 多重比较试验分析方法，对源于转化株系和野生型各测试性状进行统计学显著性分析（P 0.05）。2 结果与分析2.1 TaNF-YA1 系统进化特征TaNF-YA1 cDNA 全 长 为 897 bp，编 码 298 个氨基酸残基，编码蛋白分子量为 32.52 kD，等电点（pI）9.57。系统进化分析表明，TaNF-YA1 与一粒小麦 TmNF-YA9、野生二粒小麦 TdNF-YA7 和二穗短柄草 BdNF-YA4 等其他种属 NF-YA 家族成员基因具有较高同源性（图 1）。表明 TaNF-YA1 与上述种属NF-YA 基因可能具有相似的进化途径。2.2 干旱处理下根叶中 TaNF-YA1 表达特征TaNF-YA1 在根叶中的表达呈明显的干旱诱导表达特征，表现为在 48 h 干旱处理下，在 24 h 之前随着干旱处理进程表达水平不断提高，以后至 48 h 维持稳定；将干旱处理 48 h 幼苗再度转移至正常生长处理后，根叶中 TaNF-YA1 转录本丰度随着恢复进程不断下降，在恢复处理 48 h 后大体恢复至干旱处理前（0 h）水平（图 2）。上述结果表明，TaNF-YA1 在转录水平上对干旱逆境明显应答，进而参与植株适应干旱胁迫的生物学过程。T.aestivum TaNF-YA1(KF952517)T.monococcum NF-YA9(GU902784)T.aestivum cDNA(BT009594)T.aestivum cDNA(AK333603)T.dicoccoides NF-YA7(XM037628318)B.distachyon NF-YA4(XM010237450)T.aestivum cDNA(AK333603)T.aestivum NFYA-D4(KM078754)T.aestivum NFYA-B4(KM078753)A.tauschii NF-YA7(XM020304363)A.tauschii NF-YA7(XM040401847)B.distachyon NF-YA4(XM010237450)Z.mays NF-YA14(KM655752)Z.mays NF-YA3(NM001153839)Z.mays NF-YA3(XM008653172)Z.mays cDNA(BT038709)S.viridis NF-YA4(XM034725490)P.hallii NF-YA4(XM025944803)P.hallii NF-YA4(XM025944804)P.virgatum NF-YA4(XM039977577)P.virgatum NF-YA4(XM039936865)S.bicolor NF-YA3(XM021453812)H.vulgare cDNA(AK370570)P.edulis cDNA(FP096738)图 1 TaNF-YA1 与植物种属同源基因的系统进化特征Fig.1 The phylogenetic characteristics between TaNF-YA1 and its homologous genes in plant species5第 1 期0 6 12 24 48 R6 R24 R48时间/h Time根系 叶片1.61.20.80.40.0相对表达Relative expression图 2 根叶中 TaNF-YA1 应答干旱胁迫表达模式Fig.2 The expression patterns of TaNF-YA1 in roots and leaves under drought stress conditions2.3 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系植株长势、根系性状和干质量如图 3 所示，与 WT 相比，正常生长处理下，各供试转化株系植株长势、根系鲜重和干质量无明显改变。干旱处理下，与 WT 相比，Sen 1 和 Sen 2株系植株长势增强，根系鲜重和干质量显著提高；相反，Anti 1 和 Anti 2 株系植株长势较 WT 变差，根系鲜重和干质量显著降低。说明 TaNF-YA1 在介导植株抵御干旱胁迫中发挥着重要功能。单株干质量/gPlant biomass根系鲜重/(gplant-1)Root fresh weight 1.51.00.50.00.80.60.40.20.0注：图中 WT 为野生型烟草植株；Sen 1、Sen 2 为超表达 TaNF-YA1 烟草株系；Anti 1、Anti 2 为反义表达 TaNF-YA1 烟草株系；*表示相对于 WT 差异显著（P 0.05），下同。图 3 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系植株表型、根系鲜重和植株干质量Fig.3 Plant growth phenotypes,root fresh weights,and plant biomass of the TaNF-YA1 transgenic lines under drought treatment解亚蒙，等：小麦 NF-Y 家族基因 TaNF-YA1 介导植株耐旱功能研究2.4 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系光合参数正常培养条件下，TaNF-YA1 转化株系 Sen 1、Sen 2、Anti 1 和 Anti 2 与 WT 光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）无明显差异（图 4）；干旱处理下，与 WT 相比，Sen 1 和 Sen 2 株系 Pn、gs 和 Tr 显著提高，Ci 显著降低（图 4）。Anti 1 和 Anti 2 株系上述光合参数与 Sen 1 和 Sen 2 的表达特征相反，表现为与 WT 相比 Pn、Gs 和 Tr 显著降低，Ci 显著增高（图 4）。表明 TaNF-YA1 对干旱胁迫下植株光合碳同化能力具有显著正向调控效应。6第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报gs/(mmolCO2 m-2 s-1)Tr/(mmolH2O m-2 s-1)Pn/(molCO2 m-2 s-1)Ci/(lL-1)2016128403503002502001501005003002502001501005003.53.02.52.01.51.00.50.0正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理注：WT Sen 1 Sen 2 Anti 1 Anti 2图 4 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系光合参数Fig.4 Photosynthetic parameters of the TaNF-YA1 transgenic lines under drought treatment2.5 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系细胞保护酶活性和丙二醛含量对 TaNF-YA1 转化株系细胞保护酶活性和丙二醛含量的测试结果表明，正常生长处理下，转化株系Sen 1、Sen 2、Anti 1和Anti 2超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性和过氧化物酶（POD）活性以及丙二醛（MDA）含量与 WT 相近（图 5）。图 5 干旱处理下，与 WT 相比，Sen1 和 Sen 2 株系SOD、CAT 和 POD 活性增强，MDA 含量降低，而Anti1 和 Anti 2 的 SOD、POD、CAT 活性显著降低，MDA 含量提高（图 5）。这些结果表明，TaNF-YA1具有改善干旱处理下植株抗氧化酶活性、减少细胞膜脂过氧化产物累积进而维持干旱处理下细胞活性氧（ROS）稳态的作用。20161284030025020015010050025020015010050086420正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理正常生长 干旱处理SOD 活性/(Ug-1FW)SOD activityPOD 活性/(Ug-1FW)POD activityCAT 活性/(Ug-1FW)CAT activityMD含量/(molg-1FW)MDA content注：WT Sen 1 Sen 2 Anti 1 Anti 2图 5 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系细胞保护酶活性和MDA 含量Fig.5 Cellular protective enzyme activities and MDA contents of the TaNF-YA lines under drought treatment2.6 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系气孔关闭速率和持水率对干旱处理下不同时间点转化株系和 WT 植株的气孔开度特征分析结果表明，在 0 1 h 干旱处理内，随干旱处理进程，转化株系（Sen 1 和 Anti 1）和 WT 气孔均呈开度逐渐降低趋势，表明气孔关闭是植株适应干旱的重要机制。但与 WT 相比，随干旱处理进程，Sen 1 气孔关闭速率加快，处理 1 h 时上述株系的气孔开度明显低于 WT。相反，Anti 1 气孔关闭速率随着干旱处理进程明显慢于 WT（图 6）。此外，与 WT 相比，干旱处理下 TaNF-YA1 正义株系叶片失水速率降低，反义株系叶片失水率增大（图 6）。表明 TaNF-YA1 能促进干旱处理下气孔关闭及增强植株持水能力。时间/h Time0 0.5 1 1.5 2叶片失水率/%Leaf water losing rate35302520151050图 6 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系气孔关闭特征和离体叶片失水率Fig.6 Closure characteristics of stomata and water losing rates of detached leaves of TaNF-YA1 transgenic lines under drought treatment7第 1 期2.7 干旱处理下 TaNF-YA1 株系细胞保护酶和根系发育相关基因表达特征为揭示 TaNF-YA1 调控干旱处理下植株根系发育和细胞活性氧稳态的相关分子过程，对干旱处理下转化株系根系发育相关基因（NtPIN1-NtPIN4）和细胞保护酶 SOD 家族基因（NtSOD1.1、NtSOD1.2、NtSOD2 和 NtSOD3）、CAT 家 族 基 因（NtCAT1、NtCAT2.1、NtCAT2.2 和 NtCAT3）和POD 家族基因（NtPOD1.1、NtPOD2.1、NtPOD3.1和 NtPOD4.1）进行了检测。干旱胁迫下，与 WT相比，根系发育相关基因 NtPIN1 和 NtPIN4、SOD基 因 NtSOD1.1、CAT 基 因 NtCAT2.2 和 POD 基 因NtPOD4.1 在 Sen 1 株系中表达显著提高，但在 Anti 1 株系中表达显著降低（图 7）。表明 TaNF-YA1 通过对特定 PIN 基因和细胞保护酶基因进行转录调控，改善干旱胁迫下植株根系发育和细胞活性氧稳态，增强植株对干旱胁迫的抵御能力。解亚蒙，等：小麦 NF-Y 家族基因 TaNF-YA1 介导植株耐旱功能研究图 7 干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系根系发育和细胞保护酶基因表达特征Fig.7 Expression characteristics of root development-associated and cellular protective enzyme genes of TaNF-YA1 transgenic lines under drought treatment3 讨论植株体内 NF-YA 作为构建 NF-Y 转录因子的重要组成亚基，通过转录应答参与植株生长发育和植株抵御非生物逆境的相关生物学过程22。本研究对小麦 NF-YA 家族基因 TaNF-YA1 的应答干旱胁迫表达模式研究发现，该基因在根叶器官内对干旱胁迫均呈典型的干旱诱导表达模式，表现为在 48 h 干旱处理下，根叶中 TaNF-YA1 转录本在 0 24 h 处理期间转录本丰度不断增加，以后至处理 48 h 则维持相对稳定的较高水平。此外，将干旱处理 48 h 后的幼苗再度转移至正常生长处理下，根叶中的该基因转录本丰度随着恢复处理进程而不断降低。因此，TaNF-YA1 通过在转录水平上对干旱逆境产生应答，进而可能参与植株适应和抵御该非生物逆境的生物学过程。对部分植物种属的 NF-YA 基因功能鉴定结果表明，特定该转录因子家族成员参与植株根系发育23和渗透胁迫响应7-9,24等生物学过程。本研究以正义和反义表达 NF-YA1 的转基因烟草株系为材料，8第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报对该基因介导植株抵御干旱胁迫的生物学功能进行的研究结果表明，与未进行遗传转化的野生型对照（WT）相比，干旱处理下正义表达 TaNF-YA1 株系（Sen 1 和 Sen 2）植株长势显著增强，植株根系鲜重和干质量显著提高。与此相反，反义表达 TaNF-YA1 转化株系（Anti 1 和 Anti 2）干旱处理下植株长势较 WT 明显减弱，根系鲜重和植株干质量显著降低。上述结果证实，TaNF-YA1 在调控植株抵御干旱胁迫过程中发挥着正向调控效应，该基因可望作为今后小麦等麦类作物抗旱遗传改良的重要基因资源。改善光合碳同化能力和加快气孔关闭速率，是有效减少干旱胁迫下植株水分散失、维持良好植株活力和干物质生产能力的重要生理基础25。本研究对干旱处理下 TaNF-YA1 转化株系光合参数、气孔开度特征和离体叶片持水能力进行的研究结果表明，超表达 TaNF-YA1 具有增强干旱处理下植株光合碳同化能力、加快气孔关闭及减少叶片水分散失速率的作用。表明 TaNF-YA1 通过改善上述植株干旱响应相关生理过程，增强植株对干旱胁迫的适应，实现相对良好的植株干物质生产能力。干旱胁迫诱发植株体内活性氧的积累，造成植株遭受氧化损伤和细胞活力下降26。维持相对良好的细胞 ROS 稳态是植株适应干旱诱发氧化逆境的重要机制26。本研究对 TaNF-YA1 转化株系的细胞保护酶活性和 MDA 含量测定结果表明，超表达 TaNF-YA1 显著改善干旱处理下植株 SOD、CAT和 POD 活性，减少细胞膜质过氧化产物（MDA）累积。表明 TaNF-YA1 增强植株对干旱胁迫的抵御能力，与其维持相对良好的细胞 ROS 稳态密切相关。进一步对转化株系的细胞保护酶家族基因表达特征分析表明，干旱胁迫下，与 WT 相比，SOD基 因 NtSOD1.1、CAT 基 因 NtCAT2.2 和 POD 基 因NtPOD4.1 在 Sen 1 株系中表达显著提高，但上述基因在 Anti 1 株系中表达显著降低。表明 TaNF-YA1通过对特定细胞保护酶基因进行转录调控，进而改善干旱胁迫下植株根系发育和细胞活性氧稳态特征。此外，本研究对根系发育相关的 PIN-FORMED 家族基因表达特征研究发现，转化株系中 NtPIN1 和NtPIN4 的转录本丰度与 WT 相比发生显著变化，上述基因表达水平与根系鲜重密切相关，表明 TaNF-YA1 对干旱处理下植株根系发育的调节，与其对上述根系发育相关基因的转录调节具有紧密联系。有关该基因调控细胞保护酶基因和 PIN 基因转录分子机制有待进一步探讨。4 结论TaNF-YA1 在植株根系和叶片中的表达呈典型的干旱应答表达模式。与 WT 相比，正义表达 TaNF-YA1 烟草株系干旱处理下植株长势增强，根系鲜重和干质量显著增加，植株光合碳同化能力增强、细胞活性氧稳态改善、气孔关闭速率加快，叶片持水能力增强。干旱胁迫下，根系发