【摘要】：獨(dú)腳金內(nèi)酯(Strigolactones,SLs)是一種重要的植物次生代謝物,它在調(diào)節(jié)植物根的生長(zhǎng)、根毛發(fā)育、芽枝產(chǎn)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(duì)擬南芥、豌豆、水稻和矮牽牛的芽枝突變體研究已經(jīng)鑒定出多個(gè)參與獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵基因,然而,其在大豆中是如何合成以及信號(hào)是如何傳導(dǎo)等卻仍然并不清楚。鑒于獨(dú)腳金內(nèi)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(duì)大豆基因組中控制獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因進(jìn)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(dá)水平對(duì)這些基因進(jìn)一步篩選,最后挑選出四個(gè)基因在根中表達(dá)量相對(duì)較高,且與根中獨(dú)腳金內(nèi)酯合成相關(guān)。為了進(jìn)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(guān)突變體材料進(jìn)行了深入研究。在擬南芥中,通過突變體、突變體互補(bǔ)以及超表達(dá)株系對(duì)這四個(gè)基因進(jìn)行了功能鑒定,并鑒定了它們?cè)谘恐�、株高、葉形、主根長(zhǎng)度、毛狀發(fā)根、表皮毛數(shù)目和長(zhǎng)度等表型中的作用。我們發(fā)現(xiàn)在互補(bǔ)材料中不僅外在表型得到了恢復(fù),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(zhǎng)素在atmax1,atmax3,atmax4中顯著偏高等變化也恢復(fù)到正常水平。而在超表達(dá)轉(zhuǎn)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(duì)許多作物的產(chǎn)量產(chǎn)生不利的影響,因此我們也在轉(zhuǎn)基因擬南芥和大豆根毛中檢測(cè)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的功能。在獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)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(shí)發(fā)現(xiàn)超表達(dá)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的GmMAXs基因同對(duì)照超表達(dá)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(duì)干旱脅迫更為敏感的表型。這些結(jié)果表明獨(dú)腳金內(nèi)酯合成途徑和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)基因陽性株系的根毛顯著長(zhǎng)于對(duì)照組。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)這些基因超表達(dá)后許多激素相關(guān)基因的表達(dá)也都發(fā)生顯著變化。與之對(duì)應(yīng),GmMAX1a,GmMAX3b和GmMAX4a超表達(dá)材料根毛中ABA含量減少,JA含量增加;GmMAX1a和GmMAX4a超表達(dá)株系根毛中生長(zhǎng)素含量增加,而GmMAX3b超表達(dá)株系的根毛中生長(zhǎng)素含量并未檢測(cè)到明顯差異。GmMAX2a超表達(dá)株系與GUS對(duì)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(shí),我們也在大豆的超表達(dá)和抑制株系中檢測(cè)了這些基因?qū)Y(jié)瘤的影響。超表達(dá)GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a的株系(GmMAX1a-OE,GmMAX2a-OE,GmMAX3b-OE和GmMAX4a-OE)中結(jié)瘤數(shù)目增多,而在GmMAX3b的抑制株系(GmMAX3b-KD)中結(jié)瘤數(shù)目減少。GmMAXs轉(zhuǎn)基因發(fā)根中幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)瘤基因的表達(dá)水平也發(fā)生了改變。說明獨(dú)腳金內(nèi)酯相關(guān)的GmMAXs系列基因正調(diào)控結(jié)瘤。另外,我們也發(fā)現(xiàn)在B.japonicaUSDA110菌株處理48h后,超表達(dá)株系中的結(jié)瘤早期基因如GmNSP1a,GmNSP1β表達(dá)量顯著高于GUS對(duì)照組。另外,亞細(xì)胞定位顯示獨(dú)腳金內(nèi)酯合成相關(guān)的GmMAX1a-GFP,GmMAX3b-GFP,GmMAX4a-GFP融合蛋白定位在葉綠體,信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的Gm MAX2a定位于細(xì)胞核。該研究不僅揭示了獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在大豆中的保守性,還表明獨(dú)腳金內(nèi)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(jié)瘤中發(fā)揮重要的作用。GmMAX1a,GmMAX2a,GmMAX3b和GmMAX4a參與的獨(dú)腳金內(nèi)酯合成和信號(hào)傳導(dǎo)可能通過影響根毛形成及與根瘤菌互作來調(diào)控大豆的結(jié)瘤。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S565.1

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本文編號(hào)：2700009