水稻根特异性表达基因OsMADS27的功能研究

发布时间：2020-08-08 16:49

【摘要】：根系作为水稻的重要器官,不仅可以吸收水分和营养,还可以同化、转运或合成许多水稻必须的物质;同时根系还是水稻植株物质交换的桥梁,其形态构成及生长情况与水稻整体生长发育、营养状况和农艺性状息息相关。因此,研究水稻根特异性表达基因的功能对于探索水稻根系发育的分子机理具有重要理论意义,同时也为水稻乃至其它禾本科作物的根系改良提供理论依据。MADS-box蛋白是调节植物生长发育的一类重要转录因子,在植物生长发育的多个阶段及细胞信号传导中发挥调控作用。OsMADS27是水稻MADS-box基因家族的重要一员,属于拟南芥ANR1(NO_3~--Inducible Genes)在水稻中的同源物,主要在侧根原基、主根和侧根的顶端分生组织中表达。本研究通过反向遗传法研究了OsMADS27在水稻根系发育中的生物学功能。主要研究内容及结果如下:(1)OsMADS27在水稻生长发育中的生物学功能研究构建了OsMADS27的超表达载体35S::OsMADS27,通过农杆菌介导法遗传转染水稻愈伤组织,获得OsMADS27超表达的转基因植株。OsMADS27超表达植株的表型分析表明:与野生型相比,苗期的超表达植株的地上部和主根生长均受到抑制,但侧根数量增加,进而侧根密度增大;超表达OsMADS27使水稻分蘖增加,抽穗时间延迟,种子萌发率降低。该研究结果表明:OsMADS27在水稻生长发育过程中起重要作用,并可能影响水稻的农艺性状。(2)OsMADS27在NO_3~-诱导的水稻侧根形成中的功能研究鉴于硝酸盐在侧根发育中的重要作用,且OsMADS27属于拟南芥ANR1在水稻中的同源基因。因此,本文研究了OsMADS27在硝酸盐诱导的侧根发育中的功能。结果表明:分别用0、0.1及10 mM KNO_3处理野生型和OsMADS27超表达植株,随着KNO_3浓度的增加,野生型和OsMADS27超表达植株的侧根数量均增加,主根长度均变短;但超表达植株侧根数量增加及主根长度缩短的程度均显著高于野生型,即KNO_3浓度为0 mM和0.1 mM条件下,野生型和超表达植株的侧根数量和主根长度均不存在显著差异,但当KNO_3浓度增加至10 mM时,OsMADS27超表达植株的侧根数量显著多于野生型,同时其主根长度较野生型显著变短。NO_3~-含量测定也显示:OsMADS27超表达植株的NO_3~-含量显著高于野生型植株,与之契合的是硝酸盐转运基因NARs/NRTs在OsMADS27超表达植株中的表达水平均显著增高。该结果表明:OsMADS27以一种NO_3~-依赖的方式调节根系生长。(3)OsMADS27在ABA信号途径中的功能研究基于已有研究结果:OsMADS27受脱落酸(ABA)诱导表达,本研究用1.5μM ABA处理野生型和OsMADS27超表达植株。结果表明:ABA抑制野生型和超表达植株地上部和根系的生长,但对超表达植株的抑制效果更为明显,野生型植株受抑制程度相对较低,即OsMADS27的上调表达增加了植株对ABA的敏感性。进一步对植株体内ABA含量测定表明:OsMADS27超表达植株内ABA积累显著高于野生型,即OsMADS27诱导了ABA的积累。为了进一步研究OsMADS27在ABA信号途径中的作用机制,我们通过酵母双杂交实验证明OsMADS27通过GA信号途径的抑制因子OsSLR1(DELLA)与ABRE结合因子OsABI5进行间接互作,因此OsMADS27可能通过参与ABA信号途径调控水稻生长发育。(4)ABA可能在OsMADS27通过NO_3~-信号途径调节根系发育过程中的功能研究测定了0、0.1及10 mM KNO_3浓度下,野生型及OsMADS27超表达植株内源ABA的积累。结果显示:0.1及10 mM KNO_3条件下,OsMADS27超表达植株中ABA的积累显著高于野生型。此外,随着KNO_3浓度的增加,野生型植株内源ABA的积累不断减少,而OsMADS27超表达植株中ABA的积累逐渐增加。不同KNO_3浓度下,野生型及OsMADS27超表达植株中ABA合成和降解相关基因的表达量变化与其内源ABA变化一致。该结果表明:ABA可能在OsMADS27通过NO_3~-信号途径调节根系发育的过程中起重要作用。(5)OsMADS27对逆境胁迫的响应研究氯化钠处理后,OsMADS27超表达植株侧根数量及主根长度减少的幅度显著低于野生型;相反,PEG6000处理后,OsMADS27超表达植株侧根数量及主根长度增加的幅度显著高于野生型。进一步研究表明,OsMADS27超表达植株中活性氧清除基因在NaCl及PEG处理后急剧上调表达,同时活性氧合成基因下调表达。该结果表明:非生物胁迫条件下,OsMADS27可能通过调节活性氧产生与清除相关基因的表达水平,进而调节植株抗逆性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q943.2;S511
【图文】：

信号通路

胞、保卫细胞等处起作用[60, 61]。ABA 在植物各器官中不长状态下，根系比叶片积累更多的 ABA，但过量 ABA 受到干旱、盐等胁迫时，ABA 含量迅速增加并被运到特各组织中 ABA 含量会随着植物生长周期而发生变化，如BA 含量变化很大，受干旱、盐、病原微生物等胁迫处理加，且作为信号分子可以介导气孔的关闭[63]。号通路包括 ABA 受体 PYR/PYL/RCAR，磷酸酶 PP2C ABF/AREB[64-66]。PYR/PYL/RCAR 家族蛋白作为 ABA 被德国和美国科学家同时发现[67, 68]，其主要反应过程为PYR/PYL/RCAR 家族蛋白作为受体与 ABA 结合，结合类 PP2Cs（包括 ABI1 和 ABI2 等）互作，此时 PP2Cs 不能对 SnRK2 类激酶去磷酸化，磷酸化的 SnRK2 一直处游因子，主要包括 bZIP 家族的 ABF 类转录因子[65, 66, 69

过程图,侧根,过程

基突破根表皮，进而活化分生组织；Ⅴ侧根分生组织的维持：侧根的伸长依托活化的顶端分生组织的分裂[73]。侧根发育过程受到包括激素、无机盐、生物及非生物等因素的影响，ABA 作为信号分子参与侧根发育的多个过程。ABA 和 IAA 以相反方式在拟南芥侧根起始中起作用，ABA 可以增加细胞周期抑制剂 KRPs (Kip-related proteins)的含量，减缓侧根的起始；相反，IAA 则可以通过调节 KRPs 来加速侧根的起始。两者共同作用 KRPs 来调节细胞 G1-S 期的过渡[74, 75]，进而影响细胞周期及侧根的起始。除与激素共同作用调节侧根生长发育外，ABA 还参与硝酸盐介导的侧根形成过程。当 NO3-浓度高于 50 mM 时，侧根伸长受到抑制，研究发现 ABA 响应原件ABI4、ABI5 以及合成关键基因 ABA1、ABA2 和 ABA3 在这一过程中起重要作用[76]。此外，在干旱、盐胁迫等环境下，硝酸盐可以通过 β-葡萄糖苷酶 1 (BG1)促进不活跃的 ABA 形式(ABA-GE)向有生物活性的 ABA 转化[77]。在 Ca2+、H2O2、ROS等信号的参与下，ABA 还参与主根、根毛的生长调节过程中[78, 79]。ABA 调节侧根发育的过程[69]：

表型分析,植株,野生型,幼芽

重庆大学硕士学位论文较高的萌发率（图 3.2 C），但野生型种子的萌发率略高于 OsMADS27 超表达植株（图 3.2 A）。此外，野生型种子幼芽生长的速度大于 OsMADS27 超表达植株的种子（图 3.2 B），即在相同萌发时间内，野生型幼芽长度显著大于 OsMADS27 超表达植株，这一结果表明 OsMADS27 表达水平的上升延缓了种子的萌发。

【参考文献】