过表达水飞蓟SOD基因通过改善光合作用与光保护增强烟草抗旱性

《Scientific Reports》：Overexpression of milk thistle SOD gene enhances drought tolerance in tobacco by improving photosynthesis and photoprotection

本研究针对干旱胁迫导致的作物减产问题，通过从耐旱植物水飞蓟中克隆Cu/Zn-SOD基因并转入烟草，发现转基因植株在干旱条件下SOD表达量提升5倍、酶活性增强1.8倍，显著提高了光系统II最大量子产量（Fv/Fm）和非光化学淬灭（NPQ），并通过调节气孔形态减少水分流失，为作物抗逆育种提供了新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为制约农业生产的主要非生物胁迫因素。当植物遭遇水分短缺时，会引发细胞内活性氧（ROS）爆发，导致蛋白质变性、膜脂过氧化和DNA损伤，进而破坏光合作用机制并引起细胞死亡。作为植物抗氧化防御系统的第一道防线，超氧化物歧化酶（SOD）能催化超氧阴离子转化为过氧化氢和氧气，在维持ROS稳态中发挥关键作用。然而，不同植物物种的SOD基因家族成员及其在胁迫应答中的功能存在显著差异，这为从耐旱植物中挖掘优质抗逆基因提供了理论依据。

本研究团队选择具有强抗旱性的水飞蓟（Silybum marianum L.）作为基因供体，从其干旱胁迫叶片中成功克隆得到一个新型Cu/Zn-SOD基因（SmSOD）。通过构建pBI121-SmSOD表达载体并利用农杆菌介导法转化烟草，获得了20株转基因植株。在干旱处理（约50%田间持水量持续5天）条件下，研究人员系统评估了转基因烟草的生理响应机制。

关键技术方法包括：从水飞蓟叶片中分离SmSOD基因并构建表达载体；通过农杆菌介导的叶盘法转化烟草；采用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）检测基因表达；利用荧光成像系统（FluorCam）测定叶绿素荧光参数；通过显微镜观察和气孔铸模法分析气孔形态特征；采用氮蓝四唑（NBT）还原法测定SOD酶活性。

3.1.转基因植株的分子验证

PCR检测证实SmSOD基因已成功整合到烟草基因组中。qRT-PCR分析显示，干旱胁迫下转基因植株的SmSOD表达量较野生型提高5倍（p<0.01），酶活性达到9.5±0.4 U/mg蛋白，比野生型（5.2±0.3 U/mg蛋白）提高82.6%。

3.2.光合性能增强机制

叶绿素荧光成像显示，转基因植株在干旱条件下保持更高的光系统II最大量子产量（F_v/F_m=0.27±0.01），较野生型（0.22±0.01）提升7.11%。非光化学淬灭（NPQ）值达0.426±0.04，表明其热耗散能力显著增强，能更有效消散过剩光能。

3.3.气孔形态适应性调控

干旱胁迫导致所有植株气孔密度降低，但转基因植株气孔宽度（19.2±1.3 μm）显著大于野生型（16.1±1.1 μm），这种形态调整有助于在减少水分流失的同时维持必要的气体交换。

讨论部分指出，SmSOD过表达通过双重机制提升抗旱性：一方面增强ROS清除能力保护光合机构，另一方面通过调节气孔行为优化水分利用效率。该基因在叶绿体、细胞质和过氧化物酶体中的广泛分布特性，使其能更全面地调控氧化平衡。与以往研究相比，本研究首次揭示了水飞蓟来源的Cu/Zn-SOD在跨物种转移中的独特功能。

该研究发表于《Scientific Reports》杂志，不仅为理解植物抗旱分子机制提供了新视角，更重要的是为作物遗传改良提供了具有应用价值的基因资源。通过将耐旱物种的优质基因导入敏感作物，有望培育出适应气候变化的新种质，对保障粮食安全具有重要战略意义。未来可进一步探索SmSOD在不同作物中的功能保守性及其与其他抗逆通路的协同作用机制。