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柳枝稷是目前最具发展潜力的能源植物之一,通过遗传改良提高其耐盐性,有助于实现其在边际土地上的规模化种植,促进我国生物质能源产业的发展。褪黑素和液泡膜Na+(K+)/H+逆向转运蛋白(NHX)在植物耐盐育种中发挥着重要作用。本研究对褪黑素和NHX调控柳枝稷的耐盐机制进行了探讨,研究结果如下:(1)将羊褪黑素合成关键酶基因(oAANAT、oHIOMT)导入柳枝稷,获得了内源褪黑素含量显著增加的转基因植株。表型分析发现,转基因植株的株高显著高于野生型(WT),且提前抽穗,表明褪黑素可以促进植物生长发育;盐胁迫下,转基因植株的表型、生物量以及抗逆生理指标均明显优于WT,并且能够维持较高的K+含量和较低的Na+含量,表明褪黑素提高了植物耐盐性,且与Na+和K+的动态平衡有关。另外,转基因植株的气孔开张度和叶绿素含量也显著高于WT,表明褪黑素促进了柳枝稷在盐胁迫下的光合作用。(2)对转oAANAT和oHIOMT基因柳枝稷进行了转录组和蛋白组分析发现:oAANAT基因过表达主要影响植物光合作用通路,oHIOMT基因过表达主要影响了次生代谢物的合成与代谢;转基因植株中,APL3,SL1,FT1等开花相关基因显著上调,且FT1基因的表达受CO等光周期基因的调控,表明褪黑素通过调节光周期途径调控花器官的形成和促进开花;GO分析发现差异表达基因(DEGs)主要参与Na+跨膜转运蛋白活性和钾通道活性等分子生物学过程,且主要富集在液泡膜,对液泡膜上PvNHX1基因的表达水平进行分析发现,转基因植株的基因表达量显著高于对照。因此,褪黑素提高植物耐盐性与其诱导了NHX1基因的表达有关。(3)为研究NHX1对Na+和K+的调控机制,从柳枝稷中克隆到了PvNHX1基因。亚细胞定位发现该基因编码的蛋白位于液泡膜;PvNHX1基因在柳枝稷不同发育时期、不同组织中均可表达,且受到盐胁迫的显著诱导;PvNHX1基因过表达显著促进了植物的生长和发育,并提高了植物的耐盐性;此外,转基因植株中同样表现出较高水平的K+和较低水平的Na+。表明,柳枝稷的PvNHX1蛋白主要作为K+/H+逆向转运蛋白发挥作用。(4)对PvNHX1过表达植株进行了转录组分析发现:与K+运输相关的HKT、KCO2、HAK27和HAK5等基因的表达量均显著上调,表明PvNHX1过表达增加了柳枝稷对K+吸收和转运的亲和性,并通过K+区隔化来增加植物耐盐性;PvNHK1基因通过诱导光合和细胞增殖相关基因的表达来促进植物的生长,并通过上调花粉发育相关基因的表达促进柳枝稷花粉的发育;此外,PvNHX1基因过表达还显著上调了与抗病相关的基因,并通过Ca2+信号传导、磷脂酰肌醇信号传导等多种途径来提高植物对病害的抗性。本研究首次揭示了oAANAT oHIOMT和PvNHX1和在柳枝稷中的功能及分子机制,研究结果进一步完善了褪黑素和NHX蛋白的耐盐机制,也为耐盐新品种的选育提供了丰富的基因资源和参考依据。