拟南芥JAG和TCP5基因调控花器官发育的分子机制研究

发布时间：2020-05-28 11:49

【摘要】：植物器官发育的调控是一个基本的发育生物学过程,受到遗传和环境因素的影响,对这一领域的研究是植物发育生物学领域的研究热点。本文利用模式植物拟南芥的花瓣为研究材料,通过遗传学、分子生物学和生物信息学等手段,对调控拟南芥花器官发育的重要基因JAGGED(JAG)和TEOSINTE BRANCHED/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTOR 5(TCP5)的功能进行研究,解析植物器官发育的遗传和分子机制,为植物生长发育的遗传改良提供理论依据。本研究获得的主要结果如下:本研究通过对jag-1、tcp5突变体以及多基因突变体植物的花器官进行了表型分析,发现在拟南芥的花器官发育过程中,TCP5基因对花瓣发育起到负调控作用,且TCP5基因与TCP13和TCP17基因之间存在功能冗余;在jag-1 tcp5双突变体植物的花器官中,TCP5基因的突变可以部分修复jag-1突变体植物花瓣blade的缺失区域。为了探究拟南芥JAG与TCP5基因在花器官中的表达关系,本研究在jag-2突变体和JAG过表达植物的花器官中进行了TCP5基因的表达量检测。qRT-PCR检测结果分析表明,在拟南芥的花器官中,转录因子JAG抑制TCP5基因的表达,且JAG对TCP5基因的抑制可能是直接作用的。另外,为了解JAG对TCP5基因在花瓣中表达模式的影响,本研究对TCP5promoter-GUS(TCP5p:GUS)植物材料的花瓣进行了GUS组织化学染色。GUS染色的结果分析表明,与Col-0野生型植物相比,TCP5基因在jag-2突变体花瓣中的表达时期提前和表达持续时间延长以及表达区域更广。本研究利用Gateway技术构建JAGp:JAG:GR诱导型表达载体和35S:JAGg过表达载体,获得了JAGp:JAG:GR诱导型表达和35S:JAGg过表达的转基因植物。通过对JAGp:JAG:GR(jag-2)转基因植物的花序进行MOCK/DEX处理,发现与MOCK处理相比,DEX处理的JAGp:JAG:GR(jag-2)转基因植物花瓣和花瓣blade的表面积均显著增大(P0.05),表明JAG基因诱导表达实验成功。进一步探索拟南芥JAG和TCP5基因调控花器官发育的分子机制,本研究在JAG和TCP5基因共同调控的下游靶基因库中共筛选出10个参与调节赤霉素(gibberellin acid,GA)合成代谢的相关基因JR-1、JR-2、JR-3、JP-1、TP-1、TP-2、TP-3、TP-4、TP-5和TP-6以及3个调控赤霉素合成代谢的关键酶基因GA2ox1、GA3ox1和GA20ox2。对它们在不同基因型背景下的表达量做了qRT-PCR分析,验证了JAG和TCP5基因对赤霉素相关基因的调控关系。另外,通过对不同浓度的外源GA3处理后拟南芥Ler野生型和jag-2突变体植物花瓣的表型进行分析,发现JAG基因对赤霉素的失活具有抑制作用,当JAG基因突变后,相对与Ler野生型植物,较高浓度的外源GA3才能促进jag-2突变体植物花瓣的生长发育。该研究结果表明,在拟南芥的花器官发育过程中,JAG和TCP5基因可能是通过调节参与活性赤霉素降解的相关基因,进而来实现对花瓣发育的调控。为更加详细地了解JAG基因在植物器官发育调控中的功能,解析其下游的调控网络,通过对JAG诱导过表达植物的花器官进行分析,发现除在花器官形态上表现出差异外,JAG基因还可促进叶绿素a(chlorophyll a,Chla)转变为叶绿素b(chlorophyll b,Chlb)。进一步研究发现,调控从Chla向Chlb转化的关键基因CAO的转录水平受JAG转录因子的间接作用会显著上调,从而使得花器官中Chla和Chlb比例改变。对比分析JAG下游基因库的Ch IP-seq和micro-array数据结果,找到了23个受JAG直接作用的叶绿体发育相关基因。该研究结果表明,JAG基因对植物花器官中叶绿素的生成有重要作用,可通过间接调控CAO基因的表达,控制叶绿素a和b的比例。
【图文】：

图 1-1 拟南芥花器官发育的不同时期模式图（Alvarez-Buylla et al., 2010）注：Stage 1-6 粉红色代表花分生组织（FM）；浅绿色代表花萼；Stage 6-16 明亮的粉红色代表花浅紫色代表雄蕊；浅黄色代表雌蕊；黑暗绿色代表胚珠；橙色和棕色代表种子；Stage 1-20 代表官发育的不同阶段；Time（h）代表每个阶段的持续时间（小时）。1.1.2 植物花器官发育模型的研究进展20 世纪 90 年代，基于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和金鱼草（Antirrhinum maju

图 1-2 拟南芥花器官发育的“ABC”模型(Causier et al., 2010)-2A 拟南芥的花器官模式图。Se 代表花萼，Pe 代表花瓣，，St 代表雄蕊，Ca 代表别代表 A 类基因、B 类基因和 C 类基因；图 1-2B 拟南芥野生型、A 类基因、B 类类基因功能突变体植物花器官的表型图。人们对花器官生长发育研究的不断深入，Colombo 等在矮牵牛花(Pet其他科学家相继在拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究中发现了调控因并将其归为D 类基因，D类基因包括FLORAL BINGING PROTEIN7 BINGING PROTEIN7（FBP11）、SEEDSTICK (STK)、SHATTERPROOFTERPROOF2 (SHP2)[8-11]。2001年Pelaz等在拟南芥的研究中发现了SEPGL2)、SEPALLATA2 (SEP2/AGL4)和 SEPALLATA3（SEP3/AGL9)与花器性有关。在 sep1 sep2 sep3 纯合三突变体植物中，植物的花器官表型出与 B、C 类基因的双突变体的类似表型[12]。后来，Ditta 等在拟南芥SEPALLATA4 (SEP4/AGL3)也属于这类基因，在 sep1 sep2 sep3 sep4 纯合植物的所有花器官发育成叶状结构，这与 A、B、C 类基因缺失三突
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q943.2

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本文编号：2685199