杨树WOX和HSP17.8基因在植物生长发育和抗逆胁迫中的调控作用研究

发布时间：2017-12-21 11:24

  本文关键词：杨树WOX和HSP17.8基因在植物生长发育和抗逆胁迫中的调控作用研究　出处：《中国林业科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：WUSCHEL-related homeobox(WOX)家族是植物特有的一类转录因子,调控形成层干细胞维持、侧生器官发育及离体组织器官再生不定根等植物生长发育过程。Heat shock proteins(HSP)是一种具有抗逆作用的保护蛋白,在植物抵御逆境和适应环境中发挥重要作用。本研究以杨树PtoWUSa、PtoWOX4a、PtoWOX5a和PtrHSP17.8为研究对象,分析氨基酸序列相似性以及进化关系,通过qRT-PCR和GUS染色分析基因的表达模式,通过转化杨树和拟南芥研究它们对杨树叶片、茎、不定根生长发育和植物抗逆性的影响。最后构建共表达基因调控网络,对共表达网络中基因和潜在下游基因表达水平进行分析,揭示PtoWUSa、PtoWOX4a、PtoWOX5a和PtrHSP17.8在杨树次生维管、不定根发育和植物抗逆反应中的作用机制。研究得到如下主要结论:1.PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a均含有保守的HD和WUS结构域;其中Pto WUSa和Pto WOX5a含有ERF-like结构域;虽然都含有保守的结构域,但是非保守区域氨基酸变化较大,与不同物种间氨基酸的序列相似性在29%-99%之间。2.PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a在叶脉中均有表达;PtoWUSa和PtoWOX4a在茎中高丰度表达;PtoWUSa在顶端分生组织中有表达,而PtoWOX4a在顶端没有表达;PtoWUSa和PtoWOX5a在根中的表达主要在根尖区域,而PtoWOX4a在根中的表达主要集中在根中柱区域。3.过表达PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a导致植株叶片生长两侧向中间弯曲,叶片面积变小。在过表达PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a后与叶片叶片发育相关的YABBY1/3d、KAN1a、KAN1c和AS2基因的表达水平受到抑制。这一结果说明,PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a对叶片发育具有保守的调控机制。4.过表达PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a导致植株不定根数目的增多,根长变短。在PtoWUSa和PtoWOX5a的过表达植株中,不定根和侧根根尖的膨大,侧根着生部位的紊乱;在PtoWOX4a过表达杨树中,不定根的直径明显增粗,木质化增强,不定根根尖也出现膨大。在拟南芥中过表达PtoWUSa,植株主根变短且失去了向地性,促进了侧根的伸长。PtoWOX5a恢复atwox5突变体,突变体QC细胞的表型得到了恢复,说明PtoWOX5a能够代替AtWOX5在RAM区域维持干细胞的稳定,PtoWOX5a和AtWOX5具有功能的同源性。5.过表达PtoWUSa和PtoWOX4a导致植株茎生长节间数变少,植株矮化。组织解剖结构结果显示,过表达PtoWUSa和PtoWOX4a木质部区域变宽,髓心部分变窄,而形成层区域宽度无明显变化。且过表达PtoWOX4a植株中韧皮纤维的数目变少,且单个韧皮纤维的面积变小,表现出与过表达PtoWUSa不同的表型。重力响应实验显示,过表达PtoWUSa和PtoWOX4a增强了植株对重力的响应。用不同特异启动子驱动PtoWUSa和PtoWOX4a得到的转基因杨树中,植株的高生长都受到了抑制,茎中木质化程度加强。这些说明PtoWUSa和PtoWOX4a在茎的次生生长中具有功能的保守性。6.在PtrWUSa和PtrWOX4a共表达网络中发现大量与糖运输、糖代谢相关、植物激素相关的基因、细胞周期和其它一些功能基因。定量结果显示这些基因的表达在PtoWUSa和PtoWOX4a过表达植株茎中,受到不同程度的调控。在PtoWUSa和PtoWOX4a过表达植株不定根中的定量结果显示,PtoWUSa和PtoWOX4a能通过影响PIN1、PIN3和WOX11/12等基因的表达,对不定根的发育起到调控作用;PtoWOX4a还能影响与木质部发育相关基因的表达调控不定根的次生生长。这些结果对PtoWUSa和PtoWOX4a在茎次生维管和不定根发育中的作用机制进行了初步的阐述。7.定量结果显示PtoWOX5a能调控细胞分裂相关基因CYCD和CDF4的表达。在共表达网络中发现有56个与根发育相关的基因,对其中52个基因的表达成功检测,有32个基因的表达水平下调,20个基因的表达水平上调。这些结果揭示了PtoWOX5a能够通过与这些功能基因协同作用共同调控杨树不定根的发育。8.PtrHSP17.8是属于胞质定位的I类蛋白。PtrHSP17.8主要在茎和根中表达,其表达受到不同生物胁迫的诱导,特别是高温胁迫。在拟南芥中过表达PtrHSP17.8能够增强植株对高温胁迫和盐胁迫的抗性;在胁迫条件下过表达植株的成活率,根的长度,相对含水量,抗氧化酶的活性,脯氨酸和可溶性糖的含量相比于对照都明显增强。通过生物信息学手段构建了PtrHSP17.8基因的共表达网络,其中包含了一些抗性响应的基因(JAZ1、WRKY40和PIP3等),定量结果显示在过表达植株中这些抗逆响应基因的表达量相对于对照植株明显上调。通过以上的结果可以推断,PtrHSP17.8参与高温以及盐胁迫的响应,并通过调控JAZ1、WRKY40、PIP3等基因的表达,进而在植物抗逆反应中发挥功能。本文对木本植株中WOX和HSP基因在植物维管发育、不定根发育和抗逆反应中的作用进行了研究,为全面了解不同物种中WOX和HSP基因的功能奠定了基础,对木材材性的定向改良、扦插扩繁和植物抗性育种具有重要理论意义和潜在应用价值。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S792.11

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