马铃薯(Solanum tuberosum L.)作为全球重要的粮食作物,其淀粉丰富的块茎是人类日常饮食的重要组成部分。然而,随着气候变化的加剧,水资源日益紧张,干旱已经成为制约马铃薯生产的重要因素。干旱不仅影响光合作用效率,还可能导致马铃薯产量下降,甚至威胁到全球粮食安全。因此,提高马铃薯的抗旱性是全球农业科研中的重要课题。碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CAH)是一类在植物光合作用中发挥重要作用的酶,尽管α-AtCAH1基因在植物光合作用中表现出重要的催化作用,但其在干旱应激下的功能研究较少。因此,该研究旨在探讨通过异源表达α-AtCAH1基因提升转基因马铃薯的抗旱性,以及其在脱落酸(Abscisic acid,ABA)信号通路中对气孔行为的调控作用,进一步评估α-AtCAH1在干旱条件下对马铃薯产量的影响。研究的主要目的是评估α-AtCAH1基因在转基因马铃薯中异源表达对抗旱性和块茎产量的影响。特别地,希望通过分析该基因在干旱条件下对马铃薯气孔行为的调控,揭示其通过ABA信号通路提高抗旱性的机制。进一步探讨转基因马铃薯在干旱环境中的生长恢复能力和块茎产量表现,为开发抗旱的作物品种提供理论支持和实践参考。为此,采用基因工程技术,以马铃薯品种"Desiree"作为野生型试验材料,通过农杆菌介导的转基因方法构建α-AtCAH1基因在35S启动子驱动下的转基因马铃薯。并通过PCR检测验证转基因植物的表达。试验中选取两株转基因系("CAH1-2"和"CAH1-9")与"Desiree"品种进行对比,评估其在干旱条件下的生理响应。为了模拟干旱环境,试验组和对照组均接受了28 d的水分限制处理。试验中对气孔行为、蒸腾水分损失率、ABA含量及ABA响应基因的表达等多项指标进行了详细分析,并进一步探讨α-AtCAH1基因与ABA信号通路的关系。研究结果显示,转基因植株在正常水分条件下与野生型生长表型无显著差异(P> 0.05),表明α-AtCAH1的组成型表达不影响植株的正常生长发育。但在干旱胁迫下,转基因系表现出显著增强的耐旱能力,且蒸腾失水速率显著降低。具体而言,对照组"Desiree"的总水分损失为11.06%,而转基因植物"CAH1-2"和"CAH1-9"的水分损失分别为7.96%和7.29%,分别比"Desiree"减少了28.00%和34.15%。这些结果表明,α-AtCAH1基因能够有效减少转基因植物在干旱条件下的水分流失,从而提高抗旱性。亚细胞定位分析显示,α-AtCAH1主要定位于叶绿体,特别是在保卫细胞内。在气孔表型分析中,转基因系显示出显著的气孔闭合现象,而"Desiree"品种的气孔则保持开放状态。通过测量气孔的纵横比,转基因系的气孔纵横比显著高于"Desiree"品种(P<0.001)。转基因系"CAH1-2"和"CAH1-9"的气孔纵横比分别为2.01和2.07,而"Desiree"品种为1.41,分别增加了42.43%和46.81%(P<0.001)。这些结果表明,α-AtCAH1可通过调节气孔闭合显著减少了水分流失,有助于提高植物在干旱环境下的水分保持能力。ABA在调控气孔关闭过程中具有重要作用,在分子机制层面,进一步探讨了ABA信号通路在转基因植物抗旱性中的作用。试验结果显示,转基因植株中ABA的水平呈现增加趋势,同时StRD29A的表达水平显著上调(P<0.001),在ABA处理"Desiree"植株后,也显示类似的趋势。这表明ABA响应基因在转基因植物中得到了激活。研究表明,StOST1是ABA诱导气孔闭合信号通路中的关键组分。结果也显示,StOST1的表达水平在转基因植物中显著上调(P <0.05),进一步证明了α-AtCAH1通过激活ABA信号通路调控气孔运动。此外,转基因植物的块茎产量也显著高于对照品种"Desiree"。干旱处理后,转基因植物的块茎数量和重量均有所增加,表明α-AtCAH1基因通过提高抗旱性促进了块茎的生长。这些结果说明,在干旱条件下,转基因植物不仅保持了较高的水分效率,还能够在水分限制的环境中更好地维持块茎的生长,显著提高了产量。通过异源表达α-AtCAH1基因成功提高了转基因马铃薯的抗旱性,并显著增加了块茎产量。研究结果表明,α-AtCAH1通过调节气孔闭合减少水分流失,从而增强植物在干旱环境下的耐受能力。ABA信号通路在该过程中发挥了重要作用,转基因植物中ABA响应基因的上调支持了这一假设。此外,转基因植物在干旱条件下显示出更强的恢复能力和更高的块茎产量,表明α-AtCAH1在提高作物抗旱性和产量方面具有巨大的应用潜力。这些研究为马铃薯的抗旱性遗传改良提供了新的思路,也为其他作物的抗旱育种提供了借鉴。未来的研究应进一步探索α-AtCAH1在其他作物中的应用潜力,特别是在不同的环境条件下,评估其在全球气候变化背景下的作用,为实现作物的可持续发展和提高农业生产力做出贡献。