欧李休眠诱导关键基因的挖掘及其功能验证

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木本植物的芽休眠是植物个体在其生长发育过程中的一种暂停现象,是植物长期应对自然环境及其季节性变化而获得的生物适应性。冷信号和激素变化(主要为ABA)在调节一些落叶果树休眠过程中具有重要作用。在前期的研究中发现欧李休眠的诱导主要受到低温的控制;在休眠基因的研究方面,Dormancy-associated MADS-box(DAM)基因在休眠中有着重要作用,欧李中尚未对该类基因进行过研究。本文通过RNA-Seq、实时荧光定量PCR以及拟南芥遗传转化等技术,分析相关基因的表达以及脱落酸含量变化,以期阐明转录因子Ch DAM5在欧李休眠调控中与ABA的作用机制。主要研究结果如下:1、休眠诱导基因的挖掘以欧李品种‘晋欧1号’为材料,对其进行低温长日照(12℃,16/8 h(光/暗))、低温短日照(12℃,8/16 h(光/暗))处理,正常环境生长为对照,对处理不同时间的枝条进行清水插枝处理,统计萌芽率。结果发现在低温处理35天后长日照与短日照处理的萌芽率均低于50%,此时认为欧李已进入休眠状态,因此认为低温是关键信号,对处理28天的叶片进行转录测序,探究低温主要诱导了哪些基因的表达,结果表明低温导致了转录因子相关基因以及激素信号转导相关基因的表达,根据转录的表达数据对上述途径中的基因进行热图分析,结果表明MADS-box转录因子基因中的Prupe.1G531600.v2.1所受影响较大,且激素信号转导中ABA途径最明显,因此,对表达差异较大的MADS-box(Prupe.1G531600.v2.1)、ABA合成关键基因NCED1(Prupe.4G150100.v2.1)基因利用荧光定量分析其在低温处理不同时段中的表达量,并测定不同处理时间叶片中的ABA含量变化,结果表明脱落酸含量的变化与上述基因的表达趋势相同。2、欧李MADS-box基因家族的鉴定及表达分析根据本课题组初步测定的基因组数据结合本文的转录结果,一共鉴定了72个欧李MADS-box基因,进化树分析将其分成不同的类,其中M-type含有34个成员,MIKC含有38个成员。MIKC型又进一步分为MIKC*和MIKCC,其中MIKCC类包含12个亚类。基因结构分析表明属于同一类的基因具有相似的结构。所有基因编码的蛋白均含有MADS结构域,K-box结构域仅存在于MIKCC类中。q PCR分析表明,这些基因在芽中均有表达,但差异较大,在芽休眠中可能各自发挥着不同的作用。且SVP亚族基因与萌芽率的负相关性最大,认为SVP亚族基因在欧李中参与了芽的休眠调控。3、Ch DAM5基因的克隆及表达分析利用转录分析结果筛选得到的MADS-box基因,利用PCR技术扩增得到一个705bp编码234个氨基酸的DNA片段,命名为Ch DAM5基因。该基因与桃的DAM5基因同源,具有96.46%的相似性。多序列比对分析表明其含有典型的MADS和K-box结构域。表达分析结果表明该基因的表达水平变化与萌芽率变化呈现相反的趋势,与ABA含量及NCED1基因的表达呈正相关趋势,推测该基因可能通过ABA途径调控芽的休眠。4、Ch DAM5基因功能验证构建35s-Ch DAM5过表达载体,利用蘸花法转化拟南芥,将得到的种子播种后选取成熟前的荚果进行相关基因的表达分析,结果表明Ch DAM5在不同株系中均有表达,且株系1(Line1)表达量最高。并且在拟南芥中Ch DAM5基因的表达促进了拟南芥NCED6和NCED9基因的表达。自交后得到T1代种子。观测转基因种子的萌发情况,结果表明转基因种子的萌发率显著低于对照组,且Line1的抑制效果最好。对转基因种子的ABA含量进行测定,结果表明转基因种子的ABA含量显著高于对照。因此,Ch DAM5基因在拟南芥中的过表达激活了拟南芥ABA合成相关基因(At NCED6、At NCED9)的表达,促进ABA合成,最终抑制了种子萌发。综上,低温为诱导欧李进入休眠的主要环境因素,通过上调欧李DAM5基因的表达,从而激活ABA合成途径以及其信号转导途径中相关基因的表达,积累ABA并激活ABA的作用途径,最终导致休眠的发生。同时,Ch DAM5受低温诱导表达上调后,高浓度的ABA对其进行反馈调节。因此,Ch DAM5表达变化与ABA含量变化贯穿整个休眠的诱导和解除过程。但是,Ch DAM5与ABA相互调控的详细机制还有待进一步验证。
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