赤霉素调控百子莲株高建成的机理研究

发布时间：2020-09-16 08:12

　　株高(Plant height)是决定作物和园艺植物产量、品质的重要性状之一,而矮化对观赏植物是一种有益性状。百子莲(Agapanthus praecox ssp.orientalis)原产南非,是一种观赏价值很高的多年生根茎类花卉,幼苗阶段的株高主要体现为叶长,成年阶段则为花葶(花序轴)高度。本人所在的研究团队前期对百子莲进行了矮化调控的研究,发现赤霉素(Gibberellin,GA)是决定百子莲株高的重要激素,但对其调控机理的研究较少。本研究首先对比了外源GA_4和GA合成抑制剂多效唑(Paclobutrazol,PAC)对百子莲1年生幼苗和5年生成年植株高度的调控效果和生理差异;然后利用比较转录组(Comparative transcriptome)数据对调控效果最显著的花葶的矮化机制进行分析,并筛选出调控株高的关键基因为GA合成酶ApGA20ox1;通过RNA干扰(RNA interference,RNAi)抑制该基因表达得到矮化的转基因植株;最后运用形态学、生理学和比较蛋白质组学(Comparative proteomics)数据构建了GA调控百子莲株高建成的分子网络。主要结果概述如下:(1)分别用外源400 mg·L~(-1) GA_4和PAC处理1年生和5年生百子莲植株,研究了外源GA信号对该物种株高的调控效果以及生理基础。外源GA对百子莲株高有小幅促进,但调控效果不显著;光合速率、叶绿素含量没有明显改变,但幼苗叶片和成年植株花葶中淀粉含量分别显著减少8.70%和42.28%,花葶可溶性糖含量显著减少11.99%,幼苗叶片和成年植株花葶脂肪酸的含量显著降低16.26%和21.31%。而PAC可导致百子莲显著矮化,使幼苗叶长较对照显著减少52.40%,成年植株叶长和花葶高度分别显著降低36.22%和54.56%;细胞形态观察发现,PAC主要抑制了细胞长轴尺寸,将幼苗叶片、成年植株叶片和花葶细胞长度分别显著减少36.10%、31.27%和50.91%,而对细胞宽度影响较小;PAC使幼苗和成年植株叶绿素含量增加29.92%和18.45%,净光合速率增加14.99%和21.16%,导致幼苗叶片和成年植株花葶淀粉含量分别增加18.98%和30.68%,可溶性糖含量增加68.08%和17.81%。外源调控结果表明:PAC比GA能更有效调控株高,尤其是花葶的高度,GA信号同时调控了同化产物的积累。(2)将PAC处理的矮化花葶与对照组织进行了比较转录组分析,得到花葶矮化相关的差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs)共2838个,主要富集在激素合成与代谢、碳水化合物代谢、细胞周期与分裂、细胞壁的合成与修饰等通路中。进一步将花葶上、中和下部的细胞尺寸、GAs(GA_1、GA_3、GA_4)和吲哚乙酸(Indole acetic acid,IAA)含量、淀粉和蔗糖含量、细胞壁组分以及相关基因的表达进行了测定。结果表明,GA_4是百子莲花葶中主要的GAs组分,矮化花葶GA_1、GA_3和GA_4含量较对照分别显著降低3.41~65.43%、5.06~61.43%和59.5~92.0%,IAA的浓度梯度显著降低,顶部/底部浓度比值由14.57降为1.77。相关性分析显示,GAs含量调控了花葶细胞长轴尺寸(相关系数0.822),而IAA调控了细胞周期基因Cyclin-SDS(相关系数0.980)的表达,造成细胞数量减少10.45%。矮化花葶细胞壁结构组分纤维素和半纤维素含量提高,而细胞壁松弛酶基因木葡聚糖转葡糖苷酶2(Xyloglucan endotransglycosylase2,XET2)和for touch(TCH4)表达下调超过99.99%,限制了细胞壁长轴方向的大小。XET2(相关系数0.814)和TCH4(相关系数0.897)表达受到GA_4含量的调控,矮化花葶中GA20ox1显著上调表达2.54(log_2),而GA_4的合成受GA20ox1基因的调控(相关系数-0.870),表明GA20ox1基因可能是调控百子莲株高的一个关键基因。(3)利用RACE技术获得ApGA20ox1基因全长,该基因含有3个外显子和2个内含子,cDNA全长1386 bp,开放阅读框(Opening reading frame,ORF)为1086 bp,编码361个氨基酸残基。系统进化分析表明,ApGA20ox1与单子叶植物GA20ox聚为一类,进化关系保守。ApGA20ox1基因表达具有显著的空间特异性,在根尖、未成熟种子、茎、花葶中表达量较高,表明该基因主要参与百子莲的生长和发育。利用烟草叶片进行瞬时表达发现,ApGA20ox1主要定位于细胞质。在拟南芥中过表达ApGA20ox1基因分别使Col-0叶长和高度较对照显著增加21.77%和20.74%,证实了ApGA20ox1具有调控株高的预期生物活性。(4)利用ApGA20ox1基因RNAi得到了矮化的百子莲幼苗,2年生幼苗叶片中ApGA20ox1表达下调39.48%,使叶片长度显著降低55.59%,表明ApGA20ox1能有效调控百子莲株高。细胞学观察发现,RNAi植株的矮化表型主要是由于细胞长度减小了44.03%所致。对RNAi矮化幼苗进行GAs回补,外源GA_4可以恢复RNAi矮化幼苗的表型,叶长生长增量为不加GA_4的3.08倍,表明矮化表型是由于RNAi抑制GAs合成导致的。矮化幼苗的GA_1、GA_3和GA_4含量分别降低了37.49%、53.82%和49.68%。此外,油菜素甾醇(Brassinosteroids,BR)和(Jasmonate,JA)含量也降低了48.28%和39.88%,而IAA含量升高了207.04%,淀粉和可溶性糖的含量显著增加48.69%和120.38%,表明GA信号调控了其他激素和糖的合成与代谢。(5)利用iTRAQ技术鉴定得到RNAi矮化植株差异表达蛋白(Differentially expressed proteins,DEPs)55个,DEPs主要富集在激素合成与代谢、碳水化合物代谢、次生代谢过程、细胞壁结构以及胁迫响应等通路中,与花葶矮化RNA-seq结果基本一致。Pathway分析表明,GA信号作为主要因子,调控并协同生长素、BR和JA等激素信号,共同决定了百子莲幼苗株高建成。转录和蛋白数据关联分析中,DEGs和DEPs主要参与糖的合成与代谢、细胞壁结构物质的合成与降解。果糖-1,6-二磷酸酶、果糖-6-磷酸酶、α-半乳糖苷酶和α-葡糖苷酶等蛋白的上调表达,共同加强了糖的合成和代谢,作为前体底物参与细胞壁结构物质的合成,纤维素合成酶、己四醇醛酸脱羧酶和1,4-β-木糖苷酶加强了细胞壁结构物质的合成,而XET2和TCH4表达受抑制导致细胞壁修饰和降解过程减弱,细胞壁由于可塑性降低导致细胞形态的减小,使百子莲株高矮化。基于以上结果,推测并构建了GA信号调控百子莲株高的群集调控网络,初步揭示了GA调控百子莲株高建成的分子机理。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S682.29

【参考文献】