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Arid
梭梭适应模拟干旱的差异表达基因分析及HaASR基因的功能鉴定
高慧娟
出版年2019
学位类型博士
学位授予单位兰州大学
中文摘要我国荒漠化土地达261.2万km~2,占国土面积的27.2%,已成为世界上受干旱与荒漠化影响最为严重的国家之一。在长期的演变过程中,植物逐渐形成了各种机制来适应干旱环境。藜科梭梭属植物是沙漠地区特有的超强抗逆小乔木,有着“沙漠卫士”的美誉。然而,目前关于梭梭适应干旱环境的机制尚不清楚,特别是分子生物学方面的研究很少。分析梭梭的抗逆机制,挖掘胁迫响应基因,对于优良牧草和农作物的遗传改良和生态环境恢复重建具有重要意义。因此,本研究以梭梭为材料,首先对模拟干旱(-0.75 MPa)处理下的梭梭幼苗进行转录组(RNA-seq)测序分析,解析其干旱胁迫响应通路,挖掘其重要的抗旱相关候选基因;并以模拟干旱胁迫下显著上调的HaASR1和HaASR2(abscisic acid,stress and ripening)基因为研究重点,克隆了它们的全长,分析了它们在拟南芥抵御非生物胁迫过程中的作用。取得如下主要结果:1.通过对梭梭进行RNA-seq分析,得到了平均长度为680 bp的Unigenes87,109个,同时鉴定到13,486个SSRs。DGE分析发现,模拟干旱处理下地上部分总共有3,353个差异表达基因(DEGs),6和24 h下分别有811和1,220个基因上调表达;根部总共有4,564个DEGs,6和24 h下分别有508和1,219个基因上调表达,其中上调基因主要富集在茉莉酸、乙烯、水杨酸刺激响应、类黄酮代谢以及氧化和渗透胁迫响应通路。2.模拟干旱处理下,梭梭地上部与多酚氧化酶(PPO)、花青素合成以及谷胱甘肽过氧化物酶途径(GPX)相关的基因大多数呈上调表达,说明PPO、花青素以及GPX在梭梭地上部响应氧化胁迫过程中发挥主要作用。根部与超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸(AsA)、花青素合成以及GPX途径相关的基因大多数呈上调表达,说明干旱初期梭梭根部具有较强的的抗氧化能力来缓解活性氧造成的伤害。3.模拟干旱处理下,地上部与乙烯、脱落酸(ABA)和茉莉酸合成相关的基因大多数都上调表达,使之积累了较高水平的ABA、乙烯和茉莉酸。梭梭根部,氨基环丙烷羧酸氧化酶(ACO)和脂氧合酶(LOX)基因上调数目最多,且氨基环丙烷羧酸合酶(ACS)和丙二烯氧合酶(AOS)基因均上调表达。与光合相关的DEGs在6 h下有20个上调,22个下调,其中与叶绿素合成、细胞色素B6/F复合物以及光系统II相关的基因大多数呈上调表达,叶绿素降解基因大多数下调表达,说明干旱胁迫初期梭梭通过维持叶绿素和光合电子传递的稳定来保持一定的光合效率。4.模拟干旱处理下,地上部编码胚胎发育晚期蛋白(LEA)、ASR、海藻糖磷酸合酶(TPS)、甜菜碱醛脱氢酶(BADH)、磷酸乙醇胺甲基转移酶(PEAMT)以及甘露醇脱氢酶(MDH)蛋白的基因几乎全部上调表达,说明干旱胁迫下梭梭地上部积累了大量的LEA、ASR、海藻糖、甜菜碱以及甘露醇来应对渗透胁迫。梭梭根部编码LEA、ASR、~△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和TPS蛋白的基因大多数都呈上调表达,说明LEA、ASR、P5CS和TPS在梭梭根部应对渗透胁迫过程中发挥着重要作用。5.克隆得到了全长382 bp、ORF长为333 bp的HaASR1基因,全长479 bp、ORF长为324 bp的HaASR2基因。HaASR1和HaASR2均属于高亲水性蛋白,含有高度保守的ABA/WDS结构域。两个基因主要在根中表达,并受盐和干旱显著诱导。亚细胞定位发现HaASR1和HaASR2蛋白定位于烟草下表皮整个细胞内;通过酵母系统以及双分子荧光互补(BiFC)实验,发现HaASR1与HaPrxQ、HaBADH存在互作,HaASR2与HaNHX1存在互作。在此基础上,构建HaASR1和HaASR2过表达载体,并分别转化入拟南芥。6.HaASR1过表达植株中AtALDH10A9(与HaBADH同源性较高)和AtPrxQ(与HaPrxQ同源性较高)的表达显著高于野生型。ABA处理下,过表达HaASR1促进了拟南芥种子萌发和幼苗生长,减少了其对外源ABA的敏感性。NaCl处理下,过表达HaASR1增加了叶片脯氨酸和甜菜碱积累而降低了渗透势,降低了质膜透性,维持了体内水分含量、叶绿素含量、光合能力和植株的生长,从而提高了植株的耐盐性。干旱处理下,过表达HaASR1降低了叶片失水速率,增强了植株持水性,维持了体内水分稳定;降低了AtABA1和AtAAO3的表达,减少了ABA积累从而延缓了植株对干旱的感知;促进了AtCAT2、AtAPX1和AtPrxQ的表达,减少了H_2O_2积累,保护了叶肉细胞和叶绿体免于损伤,从而维持了光合能力和植株生长。7.HaASR2过表达植株中AtNHX2(与HaNHX1同源性较高)的表达显著高于野生型。ABA处理下,过表达HaASR2促进了种子萌发和幼苗生长,减少了对ABA的敏感性。NaCl处理下,过表达HaASR2增加了叶片脯氨酸含量,降低了渗透势,维持了体内水分含量;降低了质膜透性;维持了叶绿素含量、光合能力和植株的生长,从而提高了植株的耐盐性。干旱处理下,过表达HaASR2减少了叶片失水速率,增加了叶片脯氨酸和甜菜碱积累从而降低渗透势,维持了体内水分稳定;降低了AtABA1的表达,减少了ABA积累,延缓了植株对干旱的感应;促进了AtCAT2和AtAPX1的表达,降低了H_2O_2积累和质膜透性,增强了植株抗氧化能力,从而维持了光合能力和植株生长。以上结果表明,抗氧化蛋白(PPO、花青素、GPX、SOD和AsA)、茉莉酸、乙烯、ABA和渗透调节物(LEA、ASR、海藻糖、甜菜碱、脯氨酸和甘露醇)在梭梭响应渗透胁迫中发挥着重要功能;HaASR1和HaASR2在植物适应盐和干旱胁迫过程中发挥了重要作用。研究结果为阐明梭梭适应逆境的分子机理和挖掘其抗旱耐盐相关的重要功能基因奠定了一定的基础,为优良牧草和农作物的遗传改良提供了基因资源。
中文关键词转录组测序 ; 梭梭 ; HaASR1和HaASR2基因 ; 拟南芥 ; ABA ; 抗逆性
语种中文
国家中国
中图法分类号S792.99;Q943.2
来源机构兰州大学
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/337440
作者单位兰州大学
推荐引用方式
GB/T 7714		 高慧娟. 梭梭适应模拟干旱的差异表达基因分析及HaASR基因的功能鉴定[D]. 兰州大学,2019.
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