苹果SUMO E3连接酶MdSIZ1调控逆境应答和花青苷积累的研究

发布时间：2019-05-19 17:51

【摘要】：翻译后修饰在真核生物中发挥着重要作用,小泛素相关修饰物SUMO(small ubiquitin-related modifier)是真核生物中一种重要的翻译后修饰。在SUMO结合底物的过程中有三种酶参与,分别是E1(激活酶)、E2(结合酶)、E3(连接酶)。植物SIZ1作为一种E3连接酶,促进底物和目标蛋白的结合。SIZ1调控逆境胁迫下产生的SUMO结合。目前已在拟南芥、水稻、石斛兰以及苹果等植物中发现SIZ1蛋白的存在。但是,对于唯一的木本植物苹果中的MdSIZ1还并没有进行作用机理的研究。在本研究中,我们对苹果中的MdSIZ1的功能及其调控的生理过程进行了研究。研究发现苹果中的MdSIZ1可以在体内和体外发挥SUMO E3连接酶的作用。低温、高温、以及脱落酸处理会导致苹果组培苗体内SUMO结合水平提高。在拟南芥突变体siz1-2中异位表达MdSIZ1,部分恢复了拟南芥的缺陷表型以及SUMO结合水平。研究证明,MdSIZ1与At SIZ1具有类似的功能,并且MdSIZ1介导的SUMO化在调控植物适应逆境胁迫方面发挥着重要作用。在拟南芥中AtSIZ1调控缺磷胁迫。本研究发现,在缺磷处理的组培苗中,MdSIZ1的表达量和SUMO结合水平明显提高。苹果中,缺磷诱导的MYB转录因子MdPHR1被SUMO化修饰。异位表达MdSIZ1基因部分恢复了拟南芥突变体siz1-2在缺磷条件下的突变表型。研究还发现,在缺磷条件下突变体siz1-2的存活率与野生型相比明显下降,而异位表达MdSIZ1基因部分恢复了这种存活率下降的现象。为验证MdSIZ1在苹果缺磷胁迫的作用,我们使用过量表达和沉默表达的MdSIZ1转基因愈伤组织进行研究。结果发现在缺磷条件下,过表达MdSIZ1的愈伤组织与野生型相比鲜重提高,而沉默表达MdSIZ1的愈伤组织在缺磷条件下无法生长。研究证明,MdSIZ1过表达提高了苹果对缺磷胁迫的耐受性。在苹果中,果实色泽是一种重要的外观品质性状,而花青苷是决定苹果果实颜色的重要次生代谢产物,花青苷的合成受温度、光照、营养物质以及植物激素的调控。转录因子MdMYB1在调控花青苷合成方面发挥重要作用,用MdMYB1进行酵母双杂交筛库,对阳性克隆的测序结果表明,MdMYB1可能与MdSIZ1相互作用,随后,二者的相互作用被酵母双杂、Pull-Down、Co-IP试验所证明。随后的研究表明,MdSIZ1作为SUMO E3连接酶调控MdMYB1的SUMO化,被SUMO化修饰的MdMYB1蛋白稳定性提高,防止其被26S蛋白酶体降解;另外,研究发现,在愈伤和苹果果实中MdSIZ1通过SUMO化MYB1调控花青苷的合成。综上所述,MdSIZ1在苹果适应逆境胁迫以及调节次生代谢方面都发挥重要作用,因此研究MdSIZ1的分子机制对于提高苹果的抗性和改善苹果的品质具有一定的指导意义。
[Abstract]:Post-translation modification plays an important role in eukaryotes. SUMO (small ubiquitin-related modifier (ubiquitin related modifier) is an important post-translation modification in eukaryotes. There are three enzymes involved in the process of SUMO binding substrate, namely E1 (activating enzyme), E2 (binding enzyme) and E3 (ligase). Plant SIZ1, as an E3 ligase, promotes the binding of substrate to target protein. Siz1 regulates SUMO binding under stress. SIZ1 protein has been found in Arabidopsis, rice, Dendrobium and apple. However, the mechanism of MdSIZ1 in apple, the only woody plant, has not been studied. In this study, we studied the function of MdSIZ1 in apple and the physiological process of its regulation. It has been found that MdSIZ1 in apple can play the role of SUMO E3 ligase in vivo and in vitro. Low temperature, high temperature and abscisic acid treatment can lead to the increase of SUMO binding level in apple tissue culture seedlings. The ectopic expression of MdSIZ1, in Arabidopsis mutant siz1-2 partially restored the defective phenotype and SUMO binding level of Arabidopsis thaliana. It has been proved that MdSIZ1 and At SIZ1 have similar functions, and MdSIZ1 mediated Sumo plays an important role in regulating plant adaptation to stress. AtSIZ1 regulated phosphorus deficiency stress in Arabidopsis thaliana. In this study, it was found that the expression of MdSIZ1 and the level of SUMO binding were significantly increased in the tissue culture seedlings treated with phosphorus deficiency. In apple, MYB transcription factor MdPHR1 induced by phosphorus deficiency was modified by sumo. Ectopic expression of MdSIZ1 gene partially restored the mutant phenotype of Arabidopsis mutants siz1-2 under phosphorus deficiency. It was also found that the survival rate of mutant siz1-2 was significantly lower than that of wild type under the condition of phosphorus deficiency, while the ectopic expression of MdSIZ1 gene partially restored the decrease of survival rate. In order to verify the effect of MdSIZ1 on phosphorus deficiency stress in apple, we studied MdSIZ1 transgenic calli with overexpression and silencing expression. The results showed that under the condition of phosphorus deficiency, the fresh weight of calli overexpressing MdSIZ1 was higher than that of wild type, while the calli silent expressing MdSIZ1 could not grow under the condition of phosphorus deficiency. It has been proved that the overexpression of MdSIZ1 improves the tolerance of apple to phosphorus deficiency stress. In apple, fruit color is an important appearance quality trait, and anthocyanin is an important secondary metabolite that determines apple fruit color. Anthocyanin synthesis is regulated by temperature, light, nutrients and plant hormones. Transcription factor MdMYB1 plays an important role in regulating anthocyanin synthesis. Yeast two-hybrid screening library was carried out with MdMYB1. The sequencing results of positive clones showed that MdMYB1 might interact with MdSIZ1, and then the interaction between MdMYB1 and Pull-Down, was double hybrid by yeast. As proved by Co-IP test. Subsequent studies showed that MdSIZ1, as a SUMO E3 ligase, regulated the summatization of MdMYB1, and the stability of MdMYB1 protein modified by sumo was improved to prevent its degradation by 26s proteasome. In addition, it was found that MdSIZ1 regulated anthocyanin synthesis through sumo MYB1 in calli and apple fruit. To sum up, MdSIZ1 plays an important role in apple adaptation to stress and regulation of secondary metabolism, so the study of the molecular mechanism of MdSIZ1 has certain guiding significance for improving apple resistance and improving apple quality.
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S661.1

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本文编号：2480934