大豆和蒺藜苜蓿转运蛋白介导类黄酮转运及铁稳态研究

发布时间：2020-05-30 20:47

【摘要】：次生代谢物以及一些营养元素的稳态是植物学研究的焦点,也是农作物抗逆性及营养品质改良关注的焦点。类黄酮是植物体内最重要的次生代谢物之一,但是目前我们对类黄酮比如异黄酮、花青素和原花青素在豆科植物特别是大豆中的转运机制知之甚少。豆科植物比如大豆和蒺藜苜蓿在防卫病原菌或者共生固氮过程中会分泌一些特定的异黄酮,比如植保素phytoalexins、genistein或者daidzein,这些化合物通常被分泌到病原菌侵染部位或者根际。目前关于豆科植物的根向外分泌异黄酮的机制尚不明确。黑豆的种皮中积累了大量的包括花青素和原花青素在内的类黄酮色素,此前有关黑色大豆种皮颜色相关遗传位点的解析有过一些报道,但是几乎没有研究关注到大豆种子中花青素以及原花青素等类黄酮的转运机制。铁是植物必需的微量元素,铁的稳态通常都与代谢物的转运有关,但是目前我们对豆科植物中有关这一机制认识仍不清晰。本研究主要探索转运蛋白在豆科植物类黄酮转运以及铁元素稳态调节放面的功能,主要研究结果如下:本研究通过进化和基因表达数据基础上比较分析蒺藜苜蓿和大豆根中受真菌激发的转运蛋白基因,再结合生化实验,初步确定ABCG转运蛋白可能与液泡或质膜向外转运异黄酮有关。随后本研究从大豆ABCG转运蛋白一个亚组中鉴定出一个在真菌激发子诱导下可能参与daidzein和genistein转运的转运蛋白GmABCG18。GmABCG18在大豆根中表达水平较高且在真菌激发子处理以及根瘤菌侵染下表达水平上调。GmABCG18过表达大豆转基因嵌合体导致发根分泌物中异黄酮daidzein和genistein的含量增加并且在一定程度上增加了转基因嵌合体的根瘤数目,利用RNAi技术沉默GmABCG18则出现相反的情况。在应答根瘤菌侵染时,GmABCG18与其它几个大豆根瘤形成信号早期基因的表达水平很快升高;这些根瘤形成早期基因的表达在GmABCG18过表达或者被沉默发根中的表达水平也发生了改变。因此,本研究认为GmABCG18参与大豆结瘤信号物质daidzein和genistein的分泌,并且它在大豆根-根瘤菌互作以及后续根瘤形成过程发挥重要作用。这一研究为进一步理解ABCG转运蛋白在调节大豆根信号类异黄酮分泌以及共生固氮过程中的作用提供了新的思路。本研究通过与已知类黄酮转运蛋白的进化分析初步确定了几个与花青素、原花青素转运有关候选基因,这些基因包括三个谷胱甘肽转移酶GST,以及两个MATE转运蛋白,并通过转化拟南芥同源基因突变体验证了它们的功能。本研究将三个GST基因转入拟南芥突变体tt19过表达以后,发现三个GST的功能是有差异的,GmGSTF8不仅互补了成熟种子因原花青素缺失导致的表型,而且能够互补突变体幼苗花青素缺失的表型,说明GmGSTF8的功能与拟南芥TT19类似;而GmGSTF11能够恢复突变体花青素的积累,但是只能部分恢复突变体成熟种子的表型;在蔗糖诱导下,GmGST13只能轻微恢复突变体花青素的含量水平。而大豆两个MATE转运蛋白MtMATE60和MtMATE117在功能上是接近的。本研究中比较了两个大豆MATE转运蛋白基因过表达拟南芥突变体pab1和fft的表型,发现这两个MATE转运蛋白过表达突变体fft以后,拟南芥种子发育早期花青素积累增加,说明这两个转运蛋白都与未成熟种子中花青素的积累有关。钌红染色显示突变体fft的黏液层出现缺损,而突变体pab1和fft成熟种子的大小也发生了改变,双突变体pab1的种子表现出不规则形状(此前尚无研究关注到这一点);将两个MATE转运蛋白在两个拟南芥突变体中表达以后,这些表型异常的种子都恢复到了正常的状态。这一研究为理解大豆转运蛋白在类黄酮色素转运中的功能打开了一个切入点。蒺藜苜蓿MATE转运蛋白家族包含70个成员,它们可能都有着重要的生理学功能但是大多数都还没有被鉴定出来。本研究通过生物信息学分析结合分子遗传手段鉴定了蒺藜苜蓿中与柠檬酸分泌和铁稳态有关的MATE转运蛋白。MtMATE69是一个缺铁环境下诱导的柠檬酸转运蛋白。MtMATE69过表达发根系在缺铁和铁过量胁迫下铁稳态和植物激素的水平都发生了改变。MtMATE66主要在根中表达,它是一个质膜柠檬酸转运蛋白;而相应的蒺藜苜蓿突变体mtmate66在缺铁环境下表现出失绿黄化。MtMATE55与蒺藜苜蓿幼苗发育、铁稳态以及植物激素信号都有关联。突变体mtmate55表现出发育延迟以及叶片萎黄。不论敲除MtMATE55还是在突变体中过表达MtMATE55都会引起铁稳态改变以及植物激素水平异常。本研究初步的研究结果揭示了蒺藜苜蓿MATE转运蛋白在多种逆境下在金属营养元素以及激素信号中的基本功能。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.1;S541
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本文编号：2688700