过表达胡杨PEPKR2负调控拟南芥的镉耐受性

刘艺; 殷可欣; 冯冰; 闫彩霞; 赵紫焱; 董凯悦; 赵瑞; 陈少良

北京林业大学学报 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (04) : 21 -36.

刘艺, 殷可欣, 冯冰, 闫彩霞, 赵紫焱, 董凯悦, 赵瑞, 陈少良

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摘要

【目的】磷酸烯醇丙酮酸羧化酶激酶相关激酶（PEPKRs）是植物特有的CDPK/SnRK超家族成员，但其在胡杨响应重金属胁迫中的调控机制尚不清楚。本文通过研究胡杨PEPKR2在镉胁迫过程中的作用，旨在进一步揭示植物响应镉胁迫的生理与分子调控机制。【方法】克隆胡杨PEPKR2基因，利用DNAMAN进行同源氨基酸序列比对，并用Mega 7软件构建进化树。以野生型（WT）、转空载体对照（VC）和过表达PePEPKR2拟南芥（PePEPKR2-OE1、PePEPKR2-OE7和PePEPKR2-OE11）株系为实验材料，对各株系拟南芥进行不同浓度的镉处理，从生理和分子水平探究PePEPKR2在植物响应镉胁迫中的作用机制。【结果】（1）胡杨PEPKR2氨基酸序列与毛果杨PEPKR2相似度最高，亲缘关系最近；镉胁迫处理之后，胡杨根、茎、叶中PEPKR2表达量均发生了显著性变化；PePEPKR2蛋白定位于细胞核中。（2）在镉胁迫条件下，过表达PePEPKR2的拟南芥株系的根长、存活率和鲜质量均低于WT和VC，而相对电导率显著高于WT和VC，表明过表达株系对镉胁迫更敏感。（3）镉胁迫处理后，相较于WT和VC，过表达拟南芥株系的幼苗根尖Cd²⁺内流速度显著加快，Cd²⁺含量也显著升高；土培条件下，过表达株系的根和叶中Cd²⁺含量均显著高于WT和VC。（4）镉胁迫处理后，过表达拟南芥株系的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性的升高幅度均低于WT和VC，过氧化物酶活性的降低幅度均高于WT和VC，抗氧化酶相关基因的转录水平变化与酶活性的变化趋势一致；最终导致过表达拟南芥株系根尖的H₂O₂含量显著高于WT和VC。（5）土培条件下，经镉胁迫处理后，过表达拟南芥株系的叶绿素相对含量、最大光化学效率、实际光化学效率、电子传递速率、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均低于WT和VC，而细胞间CO₂浓度则高于WT和VC。【结论】过表达PePEPKR2增加了Cd²⁺在拟南芥中的积累，削弱了活性氧清除能力，进而使光合系统功能紊乱，最终负调控拟南芥的镉耐受性。本研究为利用基因工程改良杨树的镉修复能力提供了理论支持。