【摘要】：根系作為水稻的重要器官,不僅可以吸收水分和營(yíng)養(yǎng),還可以同化、轉(zhuǎn)運(yùn)或合成許多水稻必須的物質(zhì);同時(shí)根系還是水稻植株物質(zhì)交換的橋梁,其形態(tài)構(gòu)成及生長(zhǎng)情況與水稻整體生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況和農(nóng)藝性狀息息相關(guān)。因此,研究水稻根特異性表達(dá)基因的功能對(duì)于探索水稻根系發(fā)育的分子機(jī)理具有重要理論意義,同時(shí)也為水稻乃至其它禾本科作物的根系改良提供理論依據(jù)。MADS-box蛋白是調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的一類重要轉(zhuǎn)錄因子,在植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)階段及細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮調(diào)控作用。OsMADS27是水稻MADS-box基因家族的重要一員,屬于擬南芥ANR1(NO_3~--Inducible Genes)在水稻中的同源物,主要在側(cè)根原基、主根和側(cè)根的頂端分生組織中表達(dá)。本研究通過(guò)反向遺傳法研究了OsMADS27在水稻根系發(fā)育中的生物學(xué)功能。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)OsMADS27在水稻生長(zhǎng)發(fā)育中的生物學(xué)功能研究構(gòu)建了OsMADS27的超表達(dá)載體35S::OsMADS27,通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法遺傳轉(zhuǎn)染水稻愈傷組織,獲得OsMADS27超表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株。OsMADS27超表達(dá)植株的表型分析表明:與野生型相比,苗期的超表達(dá)植株的地上部和主根生長(zhǎng)均受到抑制,但側(cè)根數(shù)量增加,進(jìn)而側(cè)根密度增大;超表達(dá)OsMADS27使水稻分蘗增加,抽穗時(shí)間延遲,種子萌發(fā)率降低。該研究結(jié)果表明:OsMADS27在水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用,并可能影響水稻的農(nóng)藝性狀。(2)OsMADS27在NO_3~-誘導(dǎo)的水稻側(cè)根形成中的功能研究鑒于硝酸鹽在側(cè)根發(fā)育中的重要作用,且OsMADS27屬于擬南芥ANR1在水稻中的同源基因。因此,本文研究了OsMADS27在硝酸鹽誘導(dǎo)的側(cè)根發(fā)育中的功能。結(jié)果表明:分別用0、0.1及10 mM KNO_3處理野生型和OsMADS27超表達(dá)植株,隨著KNO_3濃度的增加,野生型和OsMADS27超表達(dá)植株的側(cè)根數(shù)量均增加,主根長(zhǎng)度均變短;但超表達(dá)植株側(cè)根數(shù)量增加及主根長(zhǎng)度縮短的程度均顯著高于野生型,即KNO_3濃度為0 mM和0.1 mM條件下,野生型和超表達(dá)植株的側(cè)根數(shù)量和主根長(zhǎng)度均不存在顯著差異,但當(dāng)KNO_3濃度增加至10 mM時(shí),OsMADS27超表達(dá)植株的側(cè)根數(shù)量顯著多于野生型,同時(shí)其主根長(zhǎng)度較野生型顯著變短。NO_3~-含量測(cè)定也顯示:OsMADS27超表達(dá)植株的NO_3~-含量顯著高于野生型植株,與之契合的是硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因NARs/NRTs在OsMADS27超表達(dá)植株中的表達(dá)水平均顯著增高。該結(jié)果表明:OsMADS27以一種NO_3~-依賴的方式調(diào)節(jié)根系生長(zhǎng)。(3)OsMADS27在ABA信號(hào)途徑中的功能研究基于已有研究結(jié)果:OsMADS27受脫落酸(ABA)誘導(dǎo)表達(dá),本研究用1.5μM ABA處理野生型和OsMADS27超表達(dá)植株。結(jié)果表明:ABA抑制野生型和超表達(dá)植株地上部和根系的生長(zhǎng),但對(duì)超表達(dá)植株的抑制效果更為明顯,野生型植株受抑制程度相對(duì)較低,即OsMADS27的上調(diào)表達(dá)增加了植株對(duì)ABA的敏感性。進(jìn)一步對(duì)植株體內(nèi)ABA含量測(cè)定表明:OsMADS27超表達(dá)植株內(nèi)ABA積累顯著高于野生型,即OsMADS27誘導(dǎo)了ABA的積累。為了進(jìn)一步研究OsMADS27在ABA信號(hào)途徑中的作用機(jī)制,我們通過(guò)酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)證明OsMADS27通過(guò)GA信號(hào)途徑的抑制因子OsSLR1(DELLA)與ABRE結(jié)合因子OsABI5進(jìn)行間接互作,因此OsMADS27可能通過(guò)參與ABA信號(hào)途徑調(diào)控水稻生長(zhǎng)發(fā)育。(4)ABA可能在OsMADS27通過(guò)NO_3~-信號(hào)途徑調(diào)節(jié)根系發(fā)育過(guò)程中的功能研究測(cè)定了0、0.1及10 mM KNO_3濃度下,野生型及OsMADS27超表達(dá)植株內(nèi)源ABA的積累。結(jié)果顯示:0.1及10 mM KNO_3條件下,OsMADS27超表達(dá)植株中ABA的積累顯著高于野生型。此外,隨著KNO_3濃度的增加,野生型植株內(nèi)源ABA的積累不斷減少,而OsMADS27超表達(dá)植株中ABA的積累逐漸增加。不同KNO_3濃度下,野生型及OsMADS27超表達(dá)植株中ABA合成和降解相關(guān)基因的表達(dá)量變化與其內(nèi)源ABA變化一致。該結(jié)果表明:ABA可能在OsMADS27通過(guò)NO_3~-信號(hào)途徑調(diào)節(jié)根系發(fā)育的過(guò)程中起重要作用。(5)OsMADS27對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)研究氯化鈉處理后,OsMADS27超表達(dá)植株側(cè)根數(shù)量及主根長(zhǎng)度減少的幅度顯著低于野生型;相反,PEG6000處理后,OsMADS27超表達(dá)植株側(cè)根數(shù)量及主根長(zhǎng)度增加的幅度顯著高于野生型。進(jìn)一步研究表明,OsMADS27超表達(dá)植株中活性氧清除基因在NaCl及PEG處理后急劇上調(diào)表達(dá),同時(shí)活性氧合成基因下調(diào)表達(dá)。該結(jié)果表明:非生物脅迫條件下,OsMADS27可能通過(guò)調(diào)節(jié)活性氧產(chǎn)生與清除相關(guān)基因的表達(dá)水平,進(jìn)而調(diào)節(jié)植株抗逆性。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：Q943.2;S511
【圖文】：

胞、保衛(wèi)細(xì)胞等處起作用[60, 61]。ABA 在植物各器官中不長(zhǎng)狀態(tài)下，根系比葉片積累更多的 ABA，但過(guò)量 ABA 受到干旱、鹽等脅迫時(shí)，ABA 含量迅速增加并被運(yùn)到特各組織中 ABA 含量會(huì)隨著植物生長(zhǎng)周期而發(fā)生變化，如BA 含量變化很大，受干旱、鹽、病原微生物等脅迫處理加，且作為信號(hào)分子可以介導(dǎo)氣孔的關(guān)閉[63]。號(hào)通路包括 ABA 受體 PYR/PYL/RCAR，磷酸酶 PP2C ABF/AREB[64-66]。PYR/PYL/RCAR 家族蛋白作為 ABA 被德國(guó)和美國(guó)科學(xué)家同時(shí)發(fā)現(xiàn)[67, 68]，其主要反應(yīng)過(guò)程為PYR/PYL/RCAR 家族蛋白作為受體與 ABA 結(jié)合，結(jié)合 類 PP2Cs（包括 ABI1 和 ABI2 等）互作，此時(shí) PP2Cs 不能對(duì) SnRK2 類激酶去磷酸化，磷酸化的 SnRK2 一直處游因子，主要包括 bZIP 家族的 ABF 類轉(zhuǎn)錄因子[65, 66, 69

基突破根表皮，進(jìn)而活化分生組織；Ⅴ側(cè)根分生組織的維持：側(cè)根的伸長(zhǎng)依托活化的頂端分生組織的分裂[73]。側(cè)根發(fā)育過(guò)程受到包括激素、無(wú)機(jī)鹽、生物及非生物等因素的影響，ABA 作為信號(hào)分子參與側(cè)根發(fā)育的多個(gè)過(guò)程。ABA 和 IAA 以相反方式在擬南芥?zhèn)雀鹗贾衅鹱饔�，ABA 可以增加細(xì)胞周期抑制劑 KRPs (Kip-related proteins)的含量，減緩側(cè)根的起始；相反，IAA 則可以通過(guò)調(diào)節(jié) KRPs 來(lái)加速側(cè)根的起始。兩者共同作用 KRPs 來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞 G1-S 期的過(guò)渡[74, 75]，進(jìn)而影響細(xì)胞周期及側(cè)根的起始。除與激素共同作用調(diào)節(jié)側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育外，ABA 還參與硝酸鹽介導(dǎo)的側(cè)根形成過(guò)程。當(dāng) NO3-濃度高于 50 mM 時(shí)，側(cè)根伸長(zhǎng)受到抑制，研究發(fā)現(xiàn) ABA 響應(yīng)原件ABI4、ABI5 以及合成關(guān)鍵基因 ABA1、ABA2 和 ABA3 在這一過(guò)程中起重要作用[76]。此外，在干旱、鹽脅迫等環(huán)境下，硝酸鹽可以通過(guò) β-葡萄糖苷酶 1 (BG1)促進(jìn)不活躍的 ABA 形式(ABA-GE)向有生物活性的 ABA 轉(zhuǎn)化[77]。在 Ca2+、H2O2、ROS等信號(hào)的參與下，ABA 還參與主根、根毛的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程中[78, 79]。ABA 調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育的過(guò)程[69]：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文較高的萌發(fā)率（圖 3.2 C），但野生型種子的萌發(fā)率略高于 OsMADS27 超表達(dá)植株（圖 3.2 A）。此外，野生型種子幼芽生長(zhǎng)的速度大于 OsMADS27 超表達(dá)植株的種子（圖 3.2 B），即在相同萌發(fā)時(shí)間內(nèi)，野生型幼芽長(zhǎng)度顯著大于 OsMADS27 超表達(dá)植株，這一結(jié)果表明 OsMADS27 表達(dá)水平的上升延緩了種子的萌發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2785831