MAX基因参与大豆独角金内酯合成和信号传导的功能研究

发布时间：2020-06-06 17:21

【摘要】：独脚金内酯(Strigolactones,SLs)是一种重要的植物次生代谢物,它在调节植物根的生长、根毛发育、芽枝产生、植物共生菌的互作等生理过程中都发挥着重要作用。通过对拟南芥、豌豆、水稻和矮牵牛的芽枝突变体研究已经鉴定出多个参与独脚金内酯合成和信号传导的关键基因,然而,其在大豆中是如何合成以及信号是如何传导等却仍然并不清楚。鉴于独脚金内酯如此重要而它们的生物合成底物(类胡萝卜素)又是普遍存在的,因此在本研究中,我们主要对大豆基因组中控制独脚金内酯合成和信号传导相关的基因进行了鉴定。我们首先在大豆基因组中找到MORE MAXILLARY BRANCHING(MAX)的同源基因:GmMAX1s,GmMAX2s,GmMAX3s,GmMAX4s;然后根据表达水平对这些基因进一步筛选,最后挑选出四个基因在根中表达量相对较高,且与根中独脚金内酯合成相关。为了进一步研究GmMAX的基因功能,我们挑选GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a作为候选基因并借助相关突变体材料进行了深入研究。在拟南芥中,通过突变体、突变体互补以及超表达株系对这四个基因进行了功能鉴定,并鉴定了它们在芽枝、株高、叶形、主根长度、毛状发根、表皮毛数目和长度等表型中的作用。我们发现在互补材料中不仅外在表型得到了恢复,而且突变体植株中被破坏的激素平衡比如所有突变体中JA和ABA的含量显著降低,生长素在atmax1,atmax3,atmax4中显著偏高等变化也恢复到正常水平。而在超表达转基因株系中,相比于野生型其激素含量及平衡又被打破。非生物逆境对许多作物的产量产生不利的影响,因此我们也在转基因拟南芥和大豆根毛中检测独脚金内酯合成和信号转导相关基因的功能。在独脚金内酯合成和信号转导相关基因的拟南芥突变体atmax1,atmax2,atmax3,atmax4中,发现在干旱条件下突变体的存活率比野生型有显著降低,同时发现超表达独脚金内酯合成和信号转导途径的GmMAXs基因同对照超表达GUS基因相比,可以显著提高根毛的抗旱性。表型分析发现突变体也表现出对干旱胁迫更为敏感的表型。这些结果表明独脚金内酯合成途径和信号转导途径在干旱胁迫中起着重要作用。GmMAXs的材料根毛形态的变化,发现转基因阳性株系的根毛显著长于对照组。转录组分析发现这些基因超表达后许多激素相关基因的表达也都发生显著变化。与之对应,GmMAX1a,GmMAX3b和GmMAX4a超表达材料根毛中ABA含量减少,JA含量增加;GmMAX1a和GmMAX4a超表达株系根毛中生长素含量增加,而GmMAX3b超表达株系的根毛中生长素含量并未检测到明显差异。GmMAX2a超表达株系与GUS对照材料相比ABA和JA含量都显著增加,IAA含量降低,而在抑制株系GmMAX3b-KD则观察到完全相反的表型。同时,我们也在大豆的超表达和抑制株系中检测了这些基因对结瘤的影响。超表达GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a的株系(GmMAX1a-OE,GmMAX2a-OE,GmMAX3b-OE和GmMAX4a-OE)中结瘤数目增多,而在GmMAX3b的抑制株系(GmMAX3b-KD)中结瘤数目减少。GmMAXs转基因发根中几个关键结瘤基因的表达水平也发生了改变。说明独脚金内酯相关的GmMAXs系列基因正调控结瘤。另外,我们也发现在B.japonicaUSDA110菌株处理48h后,超表达株系中的结瘤早期基因如GmNSP1a,GmNSP1β表达量显著高于GUS对照组。另外,亚细胞定位显示独脚金内酯合成相关的GmMAX1a-GFP,GmMAX3b-GFP,GmMAX4a-GFP融合蛋白定位在叶绿体,信号传导相关的Gm MAX2a定位于细胞核。该研究不仅揭示了独脚金内酯合成和信号转导途径在大豆中的保守性,还表明独脚金内酯跟其他激素之间的互作可能在控制植物发育及大豆结瘤中发挥重要的作用。GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a参与的独脚金内酯合成和信号传导可能通过影响根毛形成及与根瘤菌互作来调控大豆的结瘤。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S565.1

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本文编号：2700009