生长素响应因子ARF6与IAA23互作调控番茄丛枝菌根共生的机制

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番茄(Solanum lycopersicum)是我国设施栽培面积最大的蔬菜作物,市场前景广阔,但生产中普遍存在氮(N)、磷(P)等养分利用率降低的问题,严重限制番茄产业可持续发展。丛枝菌根是丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)与植株之间形成的一种互惠共生结构,它可以通过真菌与植物之间的双向营养交换提高植物吸收土壤矿质元素的能力,尤其是P元素。除此之外,丛枝菌根在提高植物抗逆境胁迫能力、提升作物品质和产量等方面也发挥重要作用。植物激素是AMF与植物共生过程中重要的信号物质,大量研究表明生长素和独脚金内酯(Strigolactones,SLs)是丛枝菌根形成过程中不可缺少的响应因子。因此,研究AMF共生过程中植物激素的调控作用,对于提高植物对P元素的利用率,减少P肥的投入以及提高对贫瘠土壤的利用有着重要意义。本文以番茄为实验材料,利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术和分子生物学手段探究了生长素的信号转导因子对于番茄丛枝菌根共生的影响。主要研究结果如下:1、明确了生长素响应因子SlARF6对番茄丛枝菌根共生的影响。研究发现,在低P条件下对野生型番茄进行AMF接种处理,丛枝菌根中菌丝、丛枝、泡囊的占比随着处理时间的增加逐渐增多,丛枝菌根特异性表达基因BCP1、PT4、PT5也在定殖后期大量表达。番茄定殖早期根系中生长素和SLs的含量在定殖前期显著增加,初步证明生长素和SLs信号在定殖前期发挥着重要作用。根据基因表达量的变化筛选出受AMF显著上调的SlARF6,进一步利用VIGS技术沉默SlARF6基因,发现SlARF6负调控番茄丛枝菌根的共生过程,同时还会抑制AMF对番茄P吸收的促进效应。2、证明了番茄植株中ARF6与AUX/IAA23之间的蛋白互作关系。研究发现,低P条件下AMF处理后SlIAA基因家族中部分基因大量表达,实验进一步利用酵母双杂交(Y2H)技术对可能与番茄ARF6蛋白存在互作关系的AUX/IAA进行初步筛选,再利用双分子荧光互补技术(Bi FC)、荧光素酶互补成像(LCI)技术和GST pull-down技术从分子角度进行验证,证明了番茄ARF6蛋白与IAA23蛋白之间存在互作关系。3、明确了生长素/吲哚乙酸蛋白AUX/IAA23对番茄丛枝菌根共生的影响。利用VIGS技术构建的SlIAA23基因沉默植株为研究材料,研究发现,在低P和AMF接种处理下沉默SlIAA23会抑制AMF与番茄的共生过程,并降低AMF对番茄P吸收的促进效应,初步证明了SlIAA23在番茄丛枝菌根共生过程中可能是一个正调控因子。此外,研究发现SlARF6基因沉默显著增强了AMF对SLs含量以及合成基因CCD7、CCD8转录水平的诱导效应,而SlIAA23基因沉默则显著抑制了AMF对SLs含量以及合成基因CCD7、CCD8转录水平的诱导效应。综上所述,实验初步明确了ARF6和AUX/IAA23对番茄丛枝菌根共生的影响,确定了ARF6是丛枝菌根共生过程中的抑制因子,而AUX/IAA23是一个促进因子,它们通过蛋白互作来影响丛枝菌根共生以及丛枝菌根对番茄磷吸收的促进作用,而且这一过程可能是通过影响SLs的合成来实现的。
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