茉莉素受体蛋白COI1在烟草和油菜中的调控功能分析

发布时间：2017-10-07 04:34

  本文关键词：茉莉素受体蛋白COI1在烟草和油菜中的调控功能分析

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【摘要】：植物雄性不育性状在作物品种选育和种子繁育方面具有重要价值,一直是植物学研究领域的热点问题。茉莉素是重要的植物病虫害抗性和次生代谢调控因子,也是调控植物育性的重要植物激素。拟南芥中的研究证明,茉莉素受体是由COI1 (Coronatine-insensitive 1)、茉莉素途径负调控因子JAZ (Jasmonate ZIM-domain protein)蛋白和肌醇戊基磷酸分子组成的复合体,COI1是茉莉素受体复合体核心成员。近年来,在茉莉素信号途径调控植物雄性不育的研究方面,取得了不少重要进展,但是,有关该途径调控植物花粉败育引发的雄性不育的分子机制仍不清楚。本研究分别以烟草和甘蓝型油菜为材料,对COIl蛋白调控花粉败育发生的分子机理进行了研究。烟草是重要的植物次生代谢研究模式植物,在茉莉素途径调控植物次生代谢相关研究方面具有独特优势。本研究克隆了烟草COIl保守区片段,构建了RNA干扰(RNAi)基因沉默载体,以农杆菌侵染方法培育了COIl沉默的烟草转基因植株,并用鉴定出的COIl沉默植株研究了烟草COI1在花粉育性及次生代谢方面的调控机理。研究结果表明：(1)沉默COI1烟草表现出与拟南芥coil突变体高度类似的不育表型,即花丝缩短一半、花药开裂延迟及花粉败育。同时,沉默COIl烟草还丧失了花冠花色素苷合成及花蜜腺的类胡萝卜素累积,并抑制了花冠的花色素苷合成基因及花蜜腺的类胡萝卜素合成基因的表达水平。因类胡萝卜素的合成与碳水化合物代谢密切相关,因此,对花蜜腺的碳水化合物代谢进行了研究。试验结果发现,沉默COIl烟草花蜜腺的淀粉累积受到显著抑制,而且其淀粉代谢基因及与淀粉代谢相关的MYB305转录因子基因的表达水平都发生了改变。这些研究结果首次证明了茉莉素受体蛋白COI1对淀粉代谢的调控。(2)前期对COIl功能缺失突变体的研究证明,COIl功能缺失不影响花药绒毡层发育,并能正常形成小孢子,但其小孢子在后期发育中发生败育,败育花粉呈现碳水化合物累积减少表型,但对这一过程发生的原因一直没得到证明。COIl调控淀粉代谢的发现为揭示这一现象发生的机理提供了重要线索。通过显微切片研究发现,沉默COIl烟草与拟南芥coil突变体一样可以形成正常小孢子,但这些小孢子在小孢子发育晚期无法像对照材料一样正常累积淀粉,但其花药壁却出现了淀粉颗粒的大量累积,表明发育晚期小孢子由于没有累积淀粉所以导致不能发育成正常有生活力的花粉。进一步的基因表达分析研究证明,沉默COIl改变了淀粉代谢相关基因在烟草花药壁中的表达水平,并抑制了淀粉代谢相关转录因子基因MYB305在花药壁的表达水平。这些研究结果证明,莉素茉受体蛋白COIl对碳水化合物代谢的调控,并深入揭示了碳水化合物代谢在茉莉素介导的次生代谢及花粉育性形成中的重要作用。油菜雄性不育是油菜杂交育种的基础,研究油菜雄性不育分子机理在油菜遗传育种中意义重大。甘蓝型油菜及其亲本种白菜和甘蓝的基因组测序工作均已完成,但功能基因研究工作还相对落后,对茉莉素受体蛋白COIl的功能研究还未见报道。本研究利用基因组数据分析甘蓝型油菜及其亲本种白菜和甘蓝基因组的COIl构成情况；使用定量和半定量RT-PCR扩增方法检测油菜COI1的组织特异性表达；克隆油菜COI1保守区片段构建病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silence,VIGS)载体,以农杆菌侵染方法培育VIGS诱导COI1沉默的油菜植株,然后,用鉴定出的COI1沉默植株研究油菜COI1在育性调控及虫害抗性等方面的调控功能。试验结果如下：(1)基因组数据分析表明,甘蓝型油菜亲本种白菜和甘蓝共有7个高度同源的COIl,依序列同源性可分为4类：COⅡa、COⅡb.1、COⅡb.2和COⅡc;甘蓝型油菜有8个COI1,也由上述几类同源基因组成。半定量和定量RT-PCR扩增试验表明甘蓝型油菜COIl在茎杆中的表达水平最低。从培育的VIGS诱导COIl沉默油菜中,共鉴定出COIl表达水平被抑制超过70%的株系25个,其中抑制效果最明显的10个株系被用于育性调控及蚜虫抗性试验。(2)育性分析结果证明,VIGS沉默COI1油菜的结实能力受到严重影响,其角果在授粉20 d以后的长度只达到对照油菜角果授粉5d后的长度,且角果中无正常种子；沉默COIl油菜的雄蕊长度短于相同花期的对照油菜雄蕊,其花药开裂延迟；显微观察发现沉默COIl油菜的花粉中有超过80%呈不正常形态。(3)在相同处理条件下进行的蚜虫抗性比较试验中,沉默COI1油菜叶片上的蚜虫数量超过对照油菜1倍多,而且有很多小蚜虫围绕大蚜虫的虫落,繁殖态势比对照油菜叶片上的蚜虫旺盛。这些研究结果表明,甘蓝型油菜COIl基因具有组织特异表达特性,沉默COI1会导致油菜雄性不育性状发生,并降低油菜植株对蚜虫的抗性。然而,沉默COI1未引起明显的油菜花瓣颜色变化。油菜是我国重要的油料作物,该研究结果为油菜雄性不育机理研究开辟了新的研究思路和方向,在油菜遗传育种理论和实践上都有重要意义。
【关键词】：COI1 茉莉素 花粉败育 淀粉代谢 雄性不育
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q943.2
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 茉莉素信号传导途径研究进展12-21
• 1.1.1 茉莉素的生物合成13-14
• 1.1.2 茉莉素的生物功能14-19
• 1.1.3 茉莉酸信号传导途径19-21
• 1.2 COI1基因研究进展21-22
• 1.3 病毒诱导的基因沉默22-24
• 1.3.1 VIGS的作用机制23
• 1.3.2 RNA病毒载体23-24
• 1.4 本研究的目的和意义24-26
• 第二章 烟草COI1的调控功能研究26-60
• 第一节 烟草COI1沉默植株的培育和鉴定27-37
• 2.1.1 试验方法27-32
• 2.1.2 试验结果32-35
• 2.1.3 结果讨论35-37
• 第二节 COI1对烟草花器官的次生代谢调控分析37-41
• 2.2.1 试验方法37-38
• 2.2.2 试验结果38-40
• 2.2.3 结果讨论40-41
• 第三节 COI1对烟草花蜜腺的次生代谢和初生代谢调控41-50
• 2.3.1 试验方法41-43
• 2.3.2 试验结果43-48
• 2.3.3 结果讨论48-50
• 第四节 COI1对烟草花粉育性的调控50-60
• 2.4.1 试验方法50-52
• 2.4.2 试验结果52-58
• 2.4.3 结果讨论58-60
• 第三章 甘蓝型油菜COI1的调控功能分析60-76
• 第一节 甘蓝型油菜COI1的基因序列分析和表达分析61-66
• 3.1.1 实验方法61-62
• 3.1.2 结果分析62-64
• 3.1.3 结果讨论64-66
• 第二节 油菜COI1沉默植株的培育和鉴定66-72
• 3.2.1 研究方法66-69
• 3.2.2 实验结果69-72
• 第三节 油菜COI1的育性和蚜虫抗性调控功能72-76
• 3.3.1 研究方法72
• 3.3.2 实验结果72-74
• 3.3.3 结果讨论74-76
• 第四章 讨论与结论76-82
• 4.1 讨论76-78
• 4.2 结论78-79
• 4.3 创新点79-80
• 4.4 后续研究计划80-82
• 参考文献82-94
• 攻读博士期间发表的论文94-96
• 作者简介96-98
• 致谢98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：986979