刘洁，王飞，陶婷，张玉静，陈浩婷，张瑞星，石玉，张毅
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0688
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《过表达SlWRKY41提高番茄幼苗抗旱性》的研究报告。本研究利用根癌农杆菌介导转化法获得了过表达SlWRKY41转基因株系，解析SlWRKY41在响应干旱胁迫中发挥的作用，为提高番茄植株的抗旱性及选育抗旱品种提供重要依据，同时也为番茄分子育种提供了新的靶标基因，以期为深入探索SlWRKY41响应番茄抗旱的作用机制提供理论依据，进一步为利用WRKY转录因子改良茄科作物的干旱耐受性提供一定的理论基础。
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番茄植株生长对水分需求较大，当水分供应不足时，会极大地制约细胞扩张能力，严重影响植株的生长发育。在干旱条件下，叶片萎蔫与否能直观的显示出植物种间的抗旱性强弱。研究表明，在干旱胁迫下植株表现为新叶反卷下垂萎蔫，老叶枯黄脱落，植株生长量下降，甚至全株死亡。在本研究中，干旱后野生型植株萎蔫程度严重于过表达植株，几近枯萎，过表达植株的生物量和根系所有形态指标都显著高于野生型植株。由于根系是植株吸收水分和养分的主要器官，在干旱胁迫下，SlWRKY41过表达植株为了吸收更多的水分，由地上部向根部运输的同化物增加，改善根系结构，从而提高植株的吸水能力；同时根系又是维持地上部生长的重要支撑，良好的根系能够吸收更多的水分和养分供地上部正常生长，因此相对含水量较高的过表达植株具有较强的保水能力，能够维持植株最基本的生长状态。
叶片是植物进行光合作用的重要器官。在干旱环境下，植物叶片形态和生理结构发生的适应性改变直接降低了植物的光合作用。干旱胁迫后，过表达SlWRKY41植株的蒸腾速率的降低减少了叶片水分的散失，相对含水量也随之升高，进一步提高了SlWRKY41植株的抗旱性。干旱后OE-WRKY41-2植株的胞间二氧化碳浓度变化不显著，说明虽过表达SlWRKY41植株气孔导度和蒸腾速率都显著下降，但胞间二氧化碳浓度仍能达到饱和状态。研究发现当气孔导度和胞间二氧化碳浓度变化趋势不一致时，表明非气孔限制是导致番茄植株净光合速率降低的主要原因，如叶绿体结构和光化学反应受损。研究表明在非生物胁迫下，植物细胞内活性氧的过度积累会对光合作用相关结构造成氧化损伤，因此野生型植株的净光合速率显著低于过表达SlWRKY41植株。以上结果证明SlWRKY41的过表达能够通过调节叶绿体结构稳态来提高净光合速率，进而增强番茄植株的抗旱性。
干旱胁迫后，过表达植株和野生型植株体内丙二醛、超氧阴离子含量均显著上升，但干旱4、8 d后过表达植株的二者含量显著低于野生型植株。丙二醛含量越高则说明细胞膜膜脂损伤加剧，表明过表达植株维持了膜系统结构的稳定性和功能。还发现野生型植株叶片的相对电导率显著高于SlWRKY41过表达植株，这是由于野生型植株积累的过量活性氧造成细胞膜透性降低，导致细胞内电解质外渗，相对电导率升高；过表达SlWRKY41植株则相反，降低电解质外渗，增强番茄植株的耐旱性。
研究表明在干旱处理后过表达VlWRKY48拟南芥的SOD、POD、CAT活性显著上升，提高了拟南芥的抗旱性。与本研究表现一致，过表达株系中的3种酶活性都显著高于野生型植株，表明干旱条件下，过表达SlWRKY41植株能够通过显著提高抗氧化酶活性来抵御细胞膜透性损伤；而野生型植株无法及时有效地清除产生的过量活性氧，导致膜系统造成不可逆的损伤。在本研究中，SlSOD和SlPOD在未处理的过表达SlWRKY41植株中被激活，干旱后过表达SlWRKY41植株中SlSOD和SlPOD的表达量相较野生型显著上调，可能是过表达SlWRKY41通过促进下游干旱相关基因的表达来提高番茄植株的抗旱性，在后续研究中有待进一步探索。
在干旱条件下，植物通过积累可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质，来维持细胞膨压稳定并保持生物大分子的空间结构。在本研究中，干旱后二者含量在逐渐积累。由此可见野生型和过表达植株可通过提高渗透调节物质的合成以适应干旱环境。且过表达株系中的脯氨酸和可溶性糖含量与野生型植株相比均显著增加，表明过表达植株叶片中积累的脯氨酸和可溶性糖增强了细胞液的渗透势，降低了水势，保持较高的相对含水量，有效防止因过度失水而导致的细胞皱缩和结构损伤。SlP5CS1是编码脯氨酸合成的关键酶，其表达量正调控番茄植株中脯氨酸的合成。本研究中干旱后SlP5CS1在过表达株系中的受诱导程度更为显著，因此SlP5CS1的诱导表达可能是过表达株系中脯氨酸含量显著增加的主要原因之一，从而提高过表达SlWRKY41番茄植株的抗旱能力。
番茄中SlWRKY41在响应干旱胁迫中起着重要的作用，过表达SlWRKY41可通过改善番茄根系结构，提高植株的光合速率和相对含水量，降低其相对电导率，增强抗氧化酶活性来清除细胞内积累的活性氧；同时过表达SlWRKY41能够促进渗透调节物质的合成，维持细胞相对稳态及正常生命活动，从而提高番茄植株的耐旱性。
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