JA信号转导负调控因子StJAZ1-like基因在马铃薯块茎发育中的功能和机制研究

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茉莉酸(JA,jasmonate acid)促进块茎起始和膨大进而影响影响块茎形成;此外,茉莉酸在热胁迫和干旱胁迫下的调控作用在不同作物中均有报道。然而,JA在马铃薯块茎发育和株型调控中的信号动态和潜在功能、以及在高温和干旱胁迫下的反应仍不清楚。本研究通过过表达茉莉酸信号转导核心负调控因子St JAZ1-like基因,阐明了马铃薯块茎发育过程中JA信号的时空动态、生理和分子调控网络,以及JA信号参与高温和干旱胁迫的功能,证实了St JAZ1-like介导的JA信号在马铃薯块茎发芽和株型调节中的作用,为马铃薯育种提高产量潜力提供了理论依据和技术支持。主要研究结果如下。1.St JAZ1-like ox介导的马铃薯块茎发育:已35S:St JAZ1-like-GUS作为报告基因,我们发现JA信号在块茎起始后不久从芽端到茎端减弱。St JAZ1-like的过表达材料限制匍匐茎顶端块茎形成的潜力进而负调控块茎的起始。St JAZ1-like过表达材料的单株块茎数减少,最终降低了马铃薯的产量,但对光合产物没有显著影响,也不参与调节关键结薯信号基因St SP6A、St CDF1、St BEL5和St COL1在短日照条件下的昼夜节律表达。转录组分析表明,St JAZ1-like参与调节与转录调节因子、细胞周期、细胞骨架和植物激素相关的基因的表达。此外,茉莉酸甲酯(Me JA)和脱落酸(ABA)处理后,St JAZ1–like蛋白丰度降低,并且St JAZ1-like ox植物中减弱的结薯表型可以分别添加Me JA和ABA处理完全或部分恢复。基因表达分析结果表明,野生型(E109)植物经ABA处理后,JA合成的关键调控基因Allene Oxide Synthese(AOS)的表达高于未处理对照植物。由此我们推测JA和ABA可能在结薯过程中存在协同作用。2.St JAZ1-like ox在马铃薯块茎发芽和株型中的作用:St JAZ1-like的过表达材料负调控块茎顶芽优势,表现为同一块茎上同时形成多个芽。因此,与野生型相比,St JAZ1-like的过表达材料种植后单个块茎会出现更多的茎,最终影响块茎的数量和大小分布。但对马铃薯块茎打破休眠时间没有明显影响。当所有芽都保留时,转基因植物和野生型产生了几乎相同数量的块茎,但单株块茎产量显著低于野生型。此外,St JAZ1-like过表达将一部分匍匐茎转变为地上分枝而不是形成块茎;同时降低株高、茎直径、叶片大小和数目,从而改变马铃薯株型。总之,这些结果揭示了St JAZ1-like介导的JA信号转导在马铃薯块茎贮藏品质、打破顶端优势、发芽数量和加强马铃薯株型方面发挥着重要作用。3.中等高温下St JAZ1-like介导的结薯反应:在高温(35℃)下,St JAZ1-like蛋白表现出更高的丰度,在中等高温(light/dark:26℃/23℃)下St JAZ1-like ox转基因株系与野生型相比结薯率降低,而这种减弱的结薯表型可以通过在体外和体内条件下外施Me JA得到部分恢复。因此,JA信号可能会在热应激下对结薯过程仍有效应。4.St JAZ1-like过表达植物对干旱胁迫敏感:在干旱胁迫下,与野生型植物相比,St JAZ1-like过表达植物表现出更敏感。通过对试管苗植物的表型进行严格观察,在体内和进行嫁接实验的情况下,发现由于转基因植物的不定根数量较少而表现出对干旱胁迫的敏感性;同时,我们发现Me JA处理能够增加转基因植物中不定根的数量。因此,JA信号可能通过调节根系结构来促进马铃薯植物的耐旱性。综上所述,本研究揭示了St JAZ1-like过表达介导的JA信号在马铃薯块茎发育、块茎发芽和株型的调节中的功能,以及JA在中等高温和缺水条件等不利环境下增加马铃薯块茎产量的前景。
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