【摘要】：獨腳金內酯(Strigolactones,SLs)是一種重要的植物次生代謝物,它在調節(jié)植物根的生長、根毛發(fā)育、芽枝產生、植物共生菌的互作等生理過程中都發(fā)揮著重要作用。通過對擬南芥、豌豆、水稻和矮牽牛的芽枝突變體研究已經鑒定出多個參與獨腳金內酯合成和信號傳導的關鍵基因,然而,其在大豆中是如何合成以及信號是如何傳導等卻仍然并不清楚。鑒于獨腳金內酯如此重要而它們的生物合成底物(類胡蘿卜素)又是普遍存在的,因此在本研究中,我們主要對大豆基因組中控制獨腳金內酯合成和信號傳導相關的基因進行了鑒定。我們首先在大豆基因組中找到MORE MAXILLARY BRANCHING(MAX)的同源基因:GmMAX1s,GmMAX2s,GmMAX3s,GmMAX4s;然后根據(jù)表達水平對這些基因進一步篩選,最后挑選出四個基因在根中表達量相對較高,且與根中獨腳金內酯合成相關。為了進一步研究GmMAX的基因功能,我們挑選GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a作為候選基因并借助相關突變體材料進行了深入研究。在擬南芥中,通過突變體、突變體互補以及超表達株系對這四個基因進行了功能鑒定,并鑒定了它們在芽枝、株高、葉形、主根長度、毛狀發(fā)根、表皮毛數(shù)目和長度等表型中的作用。我們發(fā)現(xiàn)在互補材料中不僅外在表型得到了恢復,而且突變體植株中被破壞的激素平衡比如所有突變體中JA和ABA的含量顯著降低,生長素在atmax1,atmax3,atmax4中顯著偏高等變化也恢復到正常水平。而在超表達轉基因株系中,相比于野生型其激素含量及平衡又被打破。非生物逆境對許多作物的產量產生不利的影響,因此我們也在轉基因擬南芥和大豆根毛中檢測獨腳金內酯合成和信號轉導相關基因的功能。在獨腳金內酯合成和信號轉導相關基因的擬南芥突變體atmax1,atmax2,atmax3,atmax4中,發(fā)現(xiàn)在干旱條件下突變體的存活率比野生型有顯著降低,同時發(fā)現(xiàn)超表達獨腳金內酯合成和信號轉導途徑的GmMAXs基因同對照超表達GUS基因相比,可以顯著提高根毛的抗旱性。表型分析發(fā)現(xiàn)突變體也表現(xiàn)出對干旱脅迫更為敏感的表型。這些結果表明獨腳金內酯合成途徑和信號轉導途徑在干旱脅迫中起著重要作用。GmMAXs的材料根毛形態(tài)的變化,發(fā)現(xiàn)轉基因陽性株系的根毛顯著長于對照組。轉錄組分析發(fā)現(xiàn)這些基因超表達后許多激素相關基因的表達也都發(fā)生顯著變化。與之對應,GmMAX1a,GmMAX3b和GmMAX4a超表達材料根毛中ABA含量減少,JA含量增加;GmMAX1a和GmMAX4a超表達株系根毛中生長素含量增加,而GmMAX3b超表達株系的根毛中生長素含量并未檢測到明顯差異。GmMAX2a超表達株系與GUS對照材料相比ABA和JA含量都顯著增加,IAA含量降低,而在抑制株系GmMAX3b-KD則觀察到完全相反的表型。同時,我們也在大豆的超表達和抑制株系中檢測了這些基因對結瘤的影響。超表達GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a的株系(GmMAX1a-OE,GmMAX2a-OE,GmMAX3b-OE和GmMAX4a-OE)中結瘤數(shù)目增多,而在GmMAX3b的抑制株系(GmMAX3b-KD)中結瘤數(shù)目減少。GmMAXs轉基因發(fā)根中幾個關鍵結瘤基因的表達水平也發(fā)生了改變。說明獨腳金內酯相關的GmMAXs系列基因正調控結瘤。另外,我們也發(fā)現(xiàn)在B.japonicaUSDA110菌株處理48h后,超表達株系中的結瘤早期基因如GmNSP1a,GmNSP1β表達量顯著高于GUS對照組。另外,亞細胞定位顯示獨腳金內酯合成相關的GmMAX1a-GFP,GmMAX3b-GFP,GmMAX4a-GFP融合蛋白定位在葉綠體,信號傳導相關的Gm MAX2a定位于細胞核。該研究不僅揭示了獨腳金內酯合成和信號轉導途徑在大豆中的保守性,還表明獨腳金內酯跟其他激素之間的互作可能在控制植物發(fā)育及大豆結瘤中發(fā)揮重要的作用。GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a參與的獨腳金內酯合成和信號傳導可能通過影響根毛形成及與根瘤菌互作來調控大豆的結瘤。
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S565.1

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本文編號：2700009