内源激素调控角倍发育的分子机制
发布时间：2018-01-19 15:14
本文关键词： 角倍蚜 盐肤木 角倍发育 植物激素 差异表达基因 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
【摘要】：盐肤木是一种重要的经济树种,在亚洲作为中药利用已有很长的历史。取食树体汁液为生的的角倍蚜(Schlechtendalia chinensis)在其主要寄主植物盐肤木(Rhus chinensis Mill)上引起叶片增生形成角倍。角倍的主要成分为五倍子单宁,以其为原料生产的单宁酸和没食子酸等,广泛应用于医药、印染、石油勘探、稀有金属提取、食品工程等。角倍是在逐渐增多的角倍蚜群体操控下,刺激植物组织形成的虫瘿,是一个非常复杂并且被精确调控的生理过程,然而角倍发育的机制目前还不清楚。植物内源激素在信号级联反应体系当中充当了关键角色,前人对内源激素调控虫瘿发育的研究大多以表观测定为主。因此,本研究以角倍为研究对象,以内源激素在角倍形成发育过程中的时空变化为切入点,结合转录组测序、数字基因表达谱、基因全长克隆和基因表达分析等不同手段,揭示了角倍形成过程中的树体响应及角倍形成分子机制,以期挖掘潜在的激素调控或基因操作手段来控制角倍发育。主要研究结果如下:(1)角倍形成过程中的内源激素含量变化规律对角倍不同发育时期和不同组织的内源激素浓度测定分析表明,生长素(IAA)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)和乙烯(ET)七种内源激素浓度在不同发育时期、不同组织以及两者之间的互作效应都存在显著差异。其中,在第2时期(85d),角倍的IAA、CTK、JA、SA、ABA和ETH浓度显著增高;在第5时期(125d),角倍的CTK、ABA、JA和ETH含量显著增高;在发育末期(170d),IAA、CTK、SA和ETH含量显著增高,这表明角倍不同阶段的发育都涉及到生长促进类激素和防御类激素的共同调控,另外树体受到角倍蚜攻击后产生了明显的激素响应。总体上,致瘿树上所有样本(角倍、有倍叶和无倍叶)的激素浓度(除GA外)都比未致瘿的树体对照叶片高。有意思的是IAA、CTK、ABA、JA、SA和ETH在整个角倍发育过程都表现出相似的变化趋势,只有GA的趋势相反,表明GA可能在控制角倍生长过程中发挥独特作用。(2)内源激素浓度变化与角倍生长的关系角倍体积与角倍蚜种群数量呈现极显著正相关,角倍蚜种群数量与角倍GA浓度呈极显著正相关,而与CTK,ABA和ETH浓度呈负相关。对所有激素进行主成分分析,发现GA独立聚为一组。GA与角倍体积达到极显著正相关,表明GA是促进角倍生长的关键调控激素。为了阐明环境变化对所有组织样本激素含量的影响,把三个虫瘿树样本(Gall、GL、和LW)除以非虫瘿树的对照叶片(CL)进行标准化。标准化后的数据表明当树体受到蚜虫攻击后,三个虫瘿树样本的GA整体水平都呈现降低,其中角倍GA降低的幅度最小。进一步的外源激素施用结果发现,与对照相比,IAA和CTK对角倍生长没有明显的促进作用。从30到85d,ABA显著的促进了角倍发育,但在发育后期,ABA处理的角倍生长缓慢,最终的角倍体积小于其他处理。施用ABA抑制剂—钨酸钠造成叶片枯萎和苗木死亡,表明ABA所起的作用很复杂,发育前期促进角倍生长,后期抑制生长。而与其他处理相比,GA对角倍生长有更显著的促进作用。因此我们提出一个模型:寄主植物通过下调内源GA浓度达到抑制角倍生长的目的,但是致瘿蚜虫种群又通过不同方式拮抗寄主植物的这一行为,从而促进角倍生长。(3)角倍形成相关差异表达基因的挖掘采用Illumina技术对四种组织材料进行深度测序,总计获得59522条Unigene。差异基因显著富集在次生代谢、植物病原菌互作和激素信号转导三条通路上。通过系统聚类发现,与叶片材料相比,上述三条代谢通路当中的基因多数在角倍样本中高表达。对激素相关基因表达量的主成分分析结果显示IAA和ABA在信号转导过程中占主导位置。进一步通过荧光定量PCR验证了部分转录本的表达,包括参与激素信号转导的生长素响应因子(ARF)、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(SPKB)、生长素响应蛋白(ARP)、双组分响应调节子ARR12(TCRR)、F-box蛋白GID2(FPG)、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2(SPK)、蛋白磷酸酶2C(PP2C)、乙烯不敏感蛋白(EIP)、乙烯受体(ER)、油菜素类固醇不敏感型受体激酶前体(BIRK)、DELLA蛋白GID2(DPGI)和LMYC2,参与次生代谢的氨基苯甲酸盐合成酶(ASAS)、叶绿体生物素羧酶(CBC)、细胞色素P450(CP),参与植物病原菌互作的病原相关蛋白1a(PP1A)和PRUPE蛋白(PPA),参与蔗糖代谢的糖基转移酶(G8E)、可溶性酸性转化酶(SAI)和纤维素合成酶(CSCS)。这些转录本的表达模式分三种类型:下降型(ARF、ASAS和SPKB)、双峰型(ARP、TCRR、FPG、PPIA、BIRK、CBC、PPA、G8E和CP)和峰谷型(SPK、PP2C、EIP、ER、SAI、CSCS、DPGI和LMYC2)。以上角倍初生和次生代谢相关基因可能受激素相关基因的调控。(4)GA和ABA相关基因的克隆及对角倍发育的影响激素浓度和信号转导基因表达量的主成分分析结果并不能完全重叠。有意思的是,ABA在二者的PCA结果中都占有较高的权重。进一步鉴定到22个与ABA信号转导相关的转录本,其中19个被注释作为蛋白磷酸酶2C(PP2C),大部分转录本在角倍中比叶片具有更高的表达。因此选择了蛋白磷酸酶2C和与GA信号转导相关的GAI基因进行克隆分析,分离得到一个长度为1013bp的RcPP2C和977bp的RcGAI全长基因。基因表达分析发现这两个基因在角倍和叶片材料中都属于组成型表达;从角倍发育初期至末期,RcPP2C基因的表达量呈现波动变化,而RcGAI基因的表达量呈现显著下调趋势;结合外源实验表明ABA在角倍发育中的防御响应和水分调控中发挥了作用,且存在剂量效应,RcPP2C基因负向调控ABA反应;RcGAI的表达量与GA含量呈负相关,与角倍体积呈显著的负相关。综上所述,本研究分析了GA受到角倍蚜和树体双重影响后整体下调的规律,揭示了GA促进角倍形成和发育的独特作用。另外用深度测序构建了角倍发育的转录本,发现次生代谢、植物病原菌互作和激素信号转导三条代谢通路显著富集。进一步筛选到与GA信号转导相关的Rc GAI基因、以及与ABA信号转导相关的RcPP2C基因,并进行全长克隆,最终通过基因表达分析耦合外源激素施用结果表明:RcGAI和RcPP2C基因分别负向调控GA和ABA反应从而影响角倍的发育。
[Abstract]:Rhus chinensis is an important economic species, has a long history of using Chinese medicine in Asia. As the feeding tree sap of SCHLECHTENDALIA chinensis (Schlechtendalia chinensis) in the main host plant (Rhus chinensis Mill) on Rhus chinensis Leaves caused by hyperplasia of the angle formed times. Main components of SCHLECHTENDALIA gallnut tannin. Its production of raw materials such as tannic acid and gallic acid, widely used in pharmaceutical, printing and dyeing, petroleum exploration, extraction of rare metal, food engineering. SCHLECHTENDALIA SCHLECHTENDALIA chinensis is in control group increased gradually under the stimulation of plant tissue formed galls, is a very complicated and precise regulation of physiological processes, however SCHLECHTENDALIA development mechanism is not clear. Plant hormones play a crucial role in the signaling cascade system, studies on the regulation of endogenous hormones and development of galls mostly apparent determination to The Lord. Therefore, based on the angle of times as the research object, the endogenous hormones in SCHLECHTENDALIA change during development as the starting point, combining transcriptome sequencing, digital gene expression, gene cloning and gene expression analysis of different methods, reveals the formation process of SCHLECHTENDALIA tree and response angle times the molecular mechanism of the formation, in order to excavate the operation means hormone regulation or gene potential to control the angle of times development. The main results are as follows: (1) the angle of endogenous hormone concentration during times of the diagonal changes of Endogenous Phytohormones in times of different developmental stages and different tissues analysis shows that auxin (IAA). Gibberellin (GA), cytokinin (CTK), abscisic acid (ABA), jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA) and ethylene (ET) seven kinds of endogenous hormone concentrations in different developmental stages, the interaction effect between different organizations and both are significantly different. 鍏朵腑,鍦ㄧ2鏃舵湡(85d),瑙掑，
本文编号：1444713
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