本文關(guān)鍵詞：植物轉(zhuǎn)錄因子NAP的系統(tǒng)發(fā)育及其對(duì)葉片衰老的調(diào)控

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【摘要】：NAP (NAC-Like, Activated by AP3/PI)是轉(zhuǎn)錄因子NAC家族中一個(gè)重要成員,簡(jiǎn)稱NAP亞家族。NAP亞家族是植物所特有的轉(zhuǎn)錄因子,其在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、響應(yīng)外界環(huán)境脅迫以及控制葉片衰老等方面有著重要的作用,尤其可以通過(guò)調(diào)控葉片衰老進(jìn)而影響植物的產(chǎn)量和品質(zhì),這已引起科研工作者的關(guān)注。然而目前有關(guān)NAP亞家族的研究主要集中在擬南芥和水稻這些模式植物上,在非模式植物如棉花上的研究較少。棉花是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位,但有關(guān)NAP成員在棉花上的相關(guān)研究還未見(jiàn)深入的報(bào)道。因此本研究以NAP亞家族為切入點(diǎn),首先對(duì)玉米以及其他植物中的NAP成員進(jìn)行研究,進(jìn)而推廣到棉花這一非模式植物上,并對(duì)陸地棉中一個(gè)NAP成員(GhNAP)與葉片衰老相關(guān)的功能及其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入探究,全方位闡明GhNAP的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及調(diào)控葉片衰老的功能。研究的主要結(jié)果如下： 1.利用古多倍體植物玉米的基因組數(shù)據(jù)庫(kù),分離到124個(gè)NAC成員,進(jìn)一步將其劃分為13個(gè)NAC亞家族。全基因組復(fù)制事件尤其是額外的全基因組復(fù)制事件可能在ZmNAC擴(kuò)增中具有重要的作用。不同的亞家族有不同的擴(kuò)增速率,ZmNAC家族的擴(kuò)增集中出現(xiàn)在一些NAC亞家族中。另外,玉米的復(fù)制事件可能發(fā)生在玉米和谷子這兩個(gè)物種分化以后,并且片段復(fù)制事件在玉米的基因復(fù)制事件中扮演著重要的作用。ZmNAC的擴(kuò)增也與內(nèi)含子的獲得和缺失有關(guān)。在基因復(fù)制以后,復(fù)制基因發(fā)生了有限的功能分化。此外,玉米的NAP亞家族包含較少的成員,未發(fā)生任何基因復(fù)制事件,并且其基因結(jié)構(gòu)以及內(nèi)含子相位相對(duì)保守,同時(shí)玉米中NAP成員的功能與其他植物中NAP成員的功能類似,這表明NAP成員的結(jié)構(gòu)和功能在玉米中可能是相對(duì)保守的。 2.通過(guò)對(duì)39種植物的全基因組進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)197個(gè)NAP成員分布在31種維管束植物中,而在8種非維管束植物中并未發(fā)現(xiàn)NAP成員的存在。所有的NAP成員可以在進(jìn)化上分為兩組(NAP Ⅰ和NAP Ⅱ),并且NAP Ⅰ的起源時(shí)間可能晚于NAP Ⅱ的起源時(shí)間。在物種分化以后,物種內(nèi)的基因復(fù)制尤其是片段復(fù)制事件可能導(dǎo)致了NAP成員的擴(kuò)增,而且該擴(kuò)增還與內(nèi)含子的獲得和缺失有關(guān)。另外,在基因復(fù)制以后功能分化是有限的,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)ABA在NAP亞家族調(diào)控的葉片衰老過(guò)程中可能發(fā)揮著很重要的作用。 3.在棉花中,采用電子克隆和傳統(tǒng)PCR克隆相結(jié)合的方法克隆出了與擬南芥AtNAP同源的NAP亞家族成員GhNAP,結(jié)果發(fā)現(xiàn)GhNAP具有典型的NAP亞家族結(jié)構(gòu)特點(diǎn),即GhNAP包含相對(duì)保守的NAC區(qū),并且可以進(jìn)一步分為5個(gè)不同的亞區(qū)(A到E),同時(shí)其TAR區(qū)包含一個(gè)相對(duì)保守的NAP Ⅰ亞區(qū)。另外,對(duì)GhNAP在植物界中的進(jìn)化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)GhNAP與擬南芥AtNAP聚在一個(gè)分枝上,都屬于NAP Ⅰ組成員。通過(guò)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GhNAP可以互補(bǔ)擬南芥atnap突變體的滯綠表型,這表明陸地棉中的GhNAP是擬南芥AtNAP的一個(gè)直系同源基因。 4.基因多拷貝現(xiàn)象在棉花中經(jīng)常存在,本研究發(fā)現(xiàn)GhNAP具有四個(gè)拷貝(GhNAP_a、GhNAP_b、GhNAP_c和GhNAP_d),每一個(gè)拷貝都包括三個(gè)外顯子和兩個(gè)內(nèi)含子；并且GhNAP_a和GhNAP_b可能來(lái)源于A基因組祖先棉種,而GhNAP_c和GhNAP_d可能來(lái)源于D基因組祖先棉種；同時(shí)NAP成員在陸地棉中的數(shù)目擴(kuò)增是在種間雜交以后發(fā)生的,并非在祖先種中發(fā)生。此外,通過(guò)序列比對(duì)以及分化時(shí)間的分析發(fā)現(xiàn),在GhNAP中,A亞基因組的拷貝更易轉(zhuǎn)變成D亞基因組的拷貝。對(duì)其功能進(jìn)行初步分析發(fā)現(xiàn),GhNAP的功能與目前較為接近的祖先棉種(亞洲棉和雷蒙德氏棉)中的NAP成員功能類似,但不同拷貝之間可能出現(xiàn)了一些功能的分化現(xiàn)象。 5.異位表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明,過(guò)表達(dá)GhNAP可以引起擬南芥葉片早衰,但在轉(zhuǎn)GhNAPi株系中,其葉片衰老現(xiàn)象得到適當(dāng)?shù)难泳�；在棉花�?降低GhNAP的正常表達(dá)可以適當(dāng)延緩葉片衰老。相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在黑暗誘導(dǎo)葉片衰老的實(shí)驗(yàn)中。因此,GhNAP可以在棉花中成為一個(gè)指示棉花葉片衰老進(jìn)程的衰老標(biāo)記基因,同時(shí)在自然和黑暗環(huán)境下GhNAP在葉片衰老中均起著重要的作用。此外,在棉花中降低GhNAP的正常表達(dá)可以延緩葉片衰老,進(jìn)而對(duì)棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。 6. GhNAP具有轉(zhuǎn)錄激活活性,其轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域主要位于GhNAP中相對(duì)多樣化的TAR區(qū)。另外,GhNAP的亞細(xì)胞定位在細(xì)胞核處,這些結(jié)果表明GhNAP可能以轉(zhuǎn)錄因子的角色調(diào)控葉片衰老。通過(guò)對(duì)其啟動(dòng)子、外源ABA響應(yīng)、內(nèi)源ABA含量以及ABA相關(guān)基因表達(dá)的分析,發(fā)現(xiàn)在GhNAP調(diào)控葉片衰老過(guò)程中,ABA發(fā)揮著重要的作用。酵母單雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GhNAP的直接下游靶基因不是GhSAG113,這表明在調(diào)控葉片衰老中,棉花GhNAP以一種不同于擬南芥AtNAP的調(diào)控模式調(diào)控葉片衰老。 綜上所述,本研究利用比較基因組學(xué)的方法對(duì)玉米以及其他植物中的NAP成員進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)NAP亞家族在植物界中的結(jié)構(gòu)和功能具有一定的保守性。在此基礎(chǔ)上,從陸地棉中克隆出一個(gè)NAP Ⅰ組成員GhNAP,發(fā)現(xiàn)GhNAP在陸地棉中具有多拷貝現(xiàn)象,同時(shí)GhNAP可以通過(guò)ABA介導(dǎo)途徑以一種不同于擬南芥AtNAP的調(diào)控模式來(lái)調(diào)控葉片衰老,進(jìn)而影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。這些結(jié)果不僅對(duì)陸地棉的進(jìn)化歷程和NAP亞家族調(diào)控葉片衰老相關(guān)機(jī)制的研究起到一定的推動(dòng)作用,同時(shí)也為其他植物尤其是多倍體植物的育種提供了一個(gè)具有潛在育種價(jià)值的候選基因。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：Q943.2

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1253460