棉花纤维特异伸长基因GhPox可能通过产生超氧离子调控植物细胞伸长

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从本实验室建立的陆地棉(Gossypiumhirsutum)纤维纤维cDNA库中,克隆到一个新的棉花过氧化物酶基因GhPox,并得到其全长序列。生物信息学分析表明GhPox属于第三类植物过氧化物酶超家族,拥有严格保守的酶活性保守区和内质网信号肽。RT-PCR研究表达谱发现,GhPox的mRNA表达量在5-15DPA达到表达高峰,而这个时间段刚好对应于棉花纤维的快速伸长期;在棉花的其它组织如根、茎、叶中几乎检测不到GhPox的mRNA。关于GhPox的基因芯片数据也得到相似的结果。对棉花胚珠进行的mRNA原位杂交实验显示表明GhPox特异定位在纤维细胞上,在胚珠的其它部位都未能检测到杂交信号。进一步说明GhPox是纤维发育特异表达并定位于生长中的纤维细胞的基因,且在纤维发育的起始早期即开始表达,到快速伸长期更高量表达。在合适的液体培养基上通过棉花胚珠的离体培养可以使纤维伸长。培养基中加入合适浓度的过氧化物酶特异型抑制剂SHAM发现离体培养胚珠纤维起始不受影响,但它们不能正常伸长。由于本实验室所获得的近30,000个10DPA棉花纤维伸长期的ESTs中,GhPox是唯一的一个过氧化物酶基因,也是目前已知报道的唯一一个参与棉花纤维发育的过氧化物酶基因,因此认为该过氧化物酶GhPox受到抑制时可能影响棉纤维的正常伸长。通过提取棉花发育不同阶段的纤维蛋白(不含胚珠)、胚珠蛋白(不含纤维)以及徐州142无毛突变体胚珠的蛋白,进行过氧化物酶活性的检测,结果表明过氧化物酶活性的变化与纤维的伸长成正相关。过氧化物酶的活性在纤维快速伸长期达到最高,而在除去纤维的胚珠中和无毛突变体中活性都极低。此外,通过NBT染色法检测组织培养的野生型和加入了过氧化物酶抑制剂的棉花胚珠内超氧离子含量发现,正常的野生型棉花纤维中可以检测到超氧离子,而受到抑制剂影响的棉花纤维不能检测到超氧离子。这与目前报道的一些其它物种中通过产生超氧离子而产生羟自由基进而改变细胞壁酸度、帮助细胞壁疏松促进细胞生长的过氧化物酶结果一致,说明GhPox很可能通过同样或类似的途径参与调控植物细胞的伸长。 笔者还筛选得到了GhPox在拟南芥(Arabidopsisthaliana)中最高同源基因atPox13的纯合缺失突变体。表型分析说明缺失atPox13的拟南芥根系发育异常:侧根数目减少且大多数的侧根明显不能达像野生型对照的侧根长度,根毛明显缩短。暗示atPox13过氧化物酶可能通过某种过氧化物机制影响细胞壁的状态从而调控拟南芥根毛细胞的伸长。
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