植物BSP基因的起源及水稻OsBSP3基因功能的初步研究

发布时间：2019-04-14 20:00

【摘要】：BSP (Bark storage protein)蛋白被称为树皮储藏蛋白,它在温带落叶树的氮代谢机制中有着极其重要的作用。与种子的储藏蛋白非常相似,即秋天时,叶片中的蛋白降解,释放出的氨基酸被转运到树皮中,由韧皮部细胞合成BSP蛋白,第二年春天,这些储藏蛋白就分解成氨基酸再次转运到新芽和新叶中,为树木的快速生长提供足够的氮源。尽管已有的研究表明杨树中BSP成员参与到氮素的储存与转运,在杨树等植物的生长发育中具有非常重要的作用,但是当前对BSP基因的起源和进化机制尚不明确,尤其是该基因在单子叶植物中的生理和形态功能尚不清楚。为了深入研究BSP基因的起源和进化规律,本研究通过生物信息学方法对植物中BSP基因及同源基因进行了物种间分布分析、系统发育分析和功能分化分析,系统阐述了植物BSP基因的起源和进化规律；并利用反向遗传学手段对水稻中的BSP基因进行了功能的初步研究。主要结果如下：1.植物BSP基因最早出现在水生的轮藻,并在维管植物基因组中普遍存在。以水稻BSP基因作为检索序列,对NCBI的nr蛋白质数据库、Phytozome植物基因组数据库等检索发现,BSP基因在已经完成测序的维管植物基因组中至少具有1个同源基因。有证据表明陆生植物起源于水生的轮藻(Charophyta),轮藻与陆生植物又被统称为链球藻(Streptophyte),轮藻基因组中具有了很多与陆生植物所特有的基因。本研究进一步对轮藻Klebsormidium flaccidum的基因组进行搜索,发现在该基因组中具有1个基因编码BSP蛋白；而在其它的已经完成测序的Chlorophyta类绿藻中进行搜索,没有发现Chlorophyta类绿藻中具有BSP基因,由此表明绿色植物的BSP基因最早起源于轮藻。但对苔藓植物小立碗藓(Physcomitrella patens)的基因组进行全面的检索,结果没有发现在该基因组中具有编码BSP蛋白的基因,可能是在该基因组中发生了基因丢失。2.植物BSP基因具有明显的功能分化的2个亚族。运用极大似然法和距离法构建的系统发育树结果显示,可以将植物的BSP基因家族分成2个亚族,分别命名为A亚族和B亚族,其中A亚族中包含有轮藻、蕨类植物、裸子植物和被子植物的基因；而B亚族中包含有裸子植物和被子植物的基因。这些结果表明A亚族是比较古老的亚族,而B亚族是由于A亚族的基因通过复制产生的,并且由于受到较小的选择压力,而产生了的新的序列特征。基于极大似然法对植物BSP基因亚族间进行功能分化分析,结果发现在两个亚族之间存在明显的进化速率的差异,并筛选到了9个对亚族间功能分化起重要作用的氨基酸位点。3.水稻OsBSP3基因受低温与6-BA非生物逆境的调控。为研究水稻BSP基因家族成员OsBSP3基因的功能,利用反向遗传学和分子生物学等手段发现该基因主要在水稻茎秆和叶鞘中表达量高,同时基因的表达量受到低温与6-BA的显著抑制。不同温度下,不同转基因植株的发芽率显著不同,低温下水稻野生型和过表达种子的发芽率明显低于突变体,高温下野生型和过表达种子的发芽率明显高于突变体。4.水稻OsBSP3基因与维管束的发育相关。水稻茎秆和叶鞘制作的树脂切片,观察发现野生型、过表达和突变体植株的细胞大小和细胞宽度呈显著性差异,野生型最大,过表达次之,突变体最小；同时茎秆中大、小维管束的个数也呈现相似的规律,即野生型的维管束个数最多,突变体维管束个数最少。由此推测OsBSP3基因的过量表达或者基因的突变有可能对植株的维管系统的生长发育有抑制作用,只有该基因正常适量的表达才有利于水稻维管系统的正常发育。上述结果表明,绿色植物的BSP基因起源于细菌为供体的水平基因转移,起源的时间可能是在轮藻与Chlorophyta类绿藻分化之后,而在陆生植物产生之前。同时水稻中的OsBSP3基因可能参与植物维管系统的发育以及6-BA的非生物胁迫响应过程。
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【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q943.2

【参考文献】