發(fā)布時間：2020-04-22 16:34

【摘要】：水楊酸在植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和抗病過程中發(fā)揮重要作用。在模式植物擬南芥中存在兩條水楊酸合成途徑:異分支酸合成酶途徑(Isochorismate Synthase,ICS)和苯丙氨酸解氨酶途徑(Phenylalanine Ammonia Lyase,PAL)。但麥族(Triticeae)作物中水楊酸合成途徑及其功能尚沒有系統(tǒng)的報(bào)道。本研究中,我們克隆了大麥(Hordeum valgare)的HvICS基因和7個HvPAL基因,獲得了不同基因過量和沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因大麥,然后分析了轉(zhuǎn)基因植株中水楊酸含量的變化及其轉(zhuǎn)基因植株應(yīng)對禾谷鐮孢菌(Fusarium graminearum,Fg)侵染的反應(yīng),以闡明大麥水楊酸合成途徑及其對大麥抗病性的貢獻(xiàn)。主要研究結(jié)果如下:1.基因序列及表達(dá)特征分析:大麥中HvICS為單拷貝基因,位于5H染色體上;而HvPAL存在10多個同源基因,分別分布在1H、2H和6H染色體上。大麥和水稻等禾本科植株的ICS蛋白與模式植物擬南芥同源蛋白的序列相似性低于51%,但它們的三維模型結(jié)構(gòu)相似;禾本科植物與擬南芥的PAL成員其氨基酸序列中均含有Ala-Ser-Gly活性位點(diǎn)。據(jù)此推測,ICS和PAL兩類基因在不同物種中的功能相對保守。在大麥‘Golden Promise’中,HvICS基因在葉片、莖稈和葉鞘中普遍表達(dá),但在穗部表達(dá)量較低,約為其它組織部位表達(dá)量的50%;而HvPAL家族成員則呈現(xiàn)組織特異性表達(dá)。2.HvICS和HvPAL家族各基因?qū)Υ篼溗畻钏岷铣傻呢暙I(xiàn):通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大麥中HvICS基因和7個HvPAL成員的過量和沉默表達(dá),本研究中大麥的轉(zhuǎn)化效率為5.3%。HvPAL各成員T_1代轉(zhuǎn)基因植株在株高、分蘗數(shù)、開花時間及抗赤霉病等方面與野生型無明顯差異。HvICS基因的沉默表達(dá)明顯抑制轉(zhuǎn)基因愈傷的分化和再生,在不添加水楊酸的條件下,其轉(zhuǎn)化效率為零;添加100μM水楊酸后獲得的HvICS沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株出現(xiàn)矮桿、多分蘗、晚花和更感赤霉病等表型。HvICS沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因大麥中,HvICS的表達(dá)量為野生型植株的49%-73%,但轉(zhuǎn)基因植株中水楊酸的含量并無顯著降低。相比而言,HvICS基因過量表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株中,HvICS的表達(dá)量為野生型植株的16-18倍,水楊酸的含量為野生型植株的1.6倍。以上結(jié)果表明,HvICS基因在大麥水楊酸合成過程中發(fā)揮作用并影響有關(guān)生理過程。3.HvICS基因的表達(dá)影響大麥抗赤霉病效果:利用轉(zhuǎn)基因材料開展了葉片或穗部的禾谷鐮孢菌接種試驗(yàn),HvICS基因的沉默導(dǎo)致葉片病斑的長度增大,約為野生型植株病斑長度的2倍。禾谷鐮孢菌的接種明顯誘導(dǎo)野生型植株和HvICS基因過量表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株中HvICS基因的表達(dá),約為對照(H_2O)處理的2倍,而且野生型植物中水楊酸的含量比對照提高了約19倍。在HvICS基因沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株中,接種禾谷鐮孢菌對HvICS的表達(dá)量和水楊酸水平影響不顯著;穗部接種結(jié)果顯示,HvICS基因的過量表達(dá)則顯著提高穗部在接種后24h和48h時(24hai和48hai)對赤霉菌的抗性。因此,HvICS基因的表達(dá)水平影響大麥對赤霉菌的抗病性,SA合成阻礙或上調(diào)進(jìn)而影響到活性氧(Reactive oxygen species,ROS)相關(guān)酶的活性及H_2O_2和O_2~-的含量,從而造成抗病性的差異。4.大麥缺乏應(yīng)答禾谷鐮孢菌侵染的系統(tǒng)獲得性抗病性:利用野生型大麥,在不同時間對不同位置的葉片接種禾谷鐮孢菌。結(jié)果顯示,在對葉片進(jìn)行接種后(inducer)并未誘導(dǎo)其它部位葉片對禾谷鐮孢菌的抗病性(challenger);而且上部未接種葉片中水楊酸含量及抗病基因的表達(dá)模式未發(fā)現(xiàn)明顯差異,表明大麥葉片對赤霉病無明顯的系統(tǒng)獲得性抗病性(systemic acquired resistance,SAR)。5.HvICS基因的表達(dá)影響大麥的生長發(fā)育:用不同濃度的水楊酸溶液處理大麥種子,50-100μM的水楊酸促進(jìn)大麥種子根和芽的生長,而200-500μM的水楊酸對大麥種子根和芽的生長有明顯的抑制作用。HvICS沉默表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株在轉(zhuǎn)化過程中,愈傷的生長和再生能力明顯降低,在培養(yǎng)基中添加100μM水楊酸后,能恢復(fù)部分細(xì)胞的再生能力。另外,四倍體小麥‘Kronos’中ICS基因A基因組發(fā)生突變,導(dǎo)致突變植株表現(xiàn)矮小、黃化和晚花等表型。
【圖文】：

圖 1 植物免疫系統(tǒng)（Jeffery et al., 2013）Fig. 1Plant immune system（Jeffery et al., 2013）1.2.1.1 組成型防御機(jī)制組成型防御機(jī)制指植物天然形成，其防御性物質(zhì)不依賴于環(huán)境脅迫的防御機(jī)制。組成型防御是植物受基因控制，，且在長期系統(tǒng)發(fā)育過程中形成的一種固有特性。根據(jù)作用形式的不同，植物中的組成型防御機(jī)制又可分為物理防御和化學(xué)防御。1.1 物理防御許多真菌入侵植物必須先分泌酵素來分解植物表皮角質(zhì)層。因此植物的表皮結(jié)構(gòu)是最初的物理屏障。這些結(jié)構(gòu)包括葉面的角質(zhì)層，蠟質(zhì)層、種子或水果的外皮和堅(jiān)硬的果殼等。另外，植物上的針刺毛和荊棘等特殊結(jié)構(gòu)又是一類重要的防御武器。如生長在干旱地區(qū)的植物如仙人掌、小蘗等的葉和皂類、枳等的枝可變成刺，一方面可以減少水分的蒸發(fā)，另一方面可以很有效的防御植食

圖 2水楊酸合成途徑和 SA有關(guān)衍生產(chǎn)物（Vlot et al., 2009）Fig. 2SA biosynthesis pathway and SA derived products （Vlot et al., 2009）水楊酸抗病信號途徑水楊酸在植物抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中極為重要。主要在寄生型病原菌引起的抗病過程中發(fā)揮作用。在轉(zhuǎn)水楊酸羥化酶基因（Salicylate hydroxylase, NahG）的擬南芥和番茄中，病原菌的侵染并不能誘導(dǎo) PR1 基因的表達(dá)，也不能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生 SAR，且轉(zhuǎn)基因植株的抗病性明顯低于野生型。以上研究表明，水楊酸是植物抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和誘導(dǎo)產(chǎn)生 SAR 過程中必不可少的信號分子（Vlot et al.,2009）。水楊酸信號途徑是一個非常復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。目前，這個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸被揭示（圖 3）。
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S435.123

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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2 鐘承鎖;錢志恒;;小麥赤霉病的發(fā)生與防治[J];現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技;2007年03期

3 康振生,黃麗麗,H.BUCHENAUER,韓青梅,蔣選利;禾谷鐮刀菌在小麥穗部侵染過程的細(xì)胞學(xué)研究[J];植物病理學(xué)報(bào);2004年04期

本文編號：2636708