本文關(guān)鍵詞：蘋果cystatin家族基因在非生物逆境脅迫應(yīng)答中的功能研究

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【摘要】：半胱氨酸蛋白酶抑制劑(cystatin)是生物體內(nèi)能夠抑制半胱氨酸蛋白水解酶活性的一類蛋白。盡管cystatin基因已經(jīng)在許多植物(包括擬南芥、水稻、大麥、大豆、馬鈴薯、小麥等)中得到了分離和鑒定,但關(guān)于蘋果cystatin家族基因的生物學(xué)功能方面的研究未見報(bào)道。本研究利用已公布的蘋果基因組數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)鑒定了蘋果基因組中所有的cystatin基因,并進(jìn)一步對它們進(jìn)行了分類、染色體定位、內(nèi)含子-外顯子結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)進(jìn)化、啟動(dòng)子元件分析以及在蘋果不同組織的表達(dá)模式分析,同時(shí)檢測了cystatin基因在干旱、低溫、高溫、脫落酸(ABA)、氧化脅迫等不同的非生物脅迫下的表達(dá)情況。在此基礎(chǔ)上對蘋果屬植物‘富平楸子’(Malus prunifolia)MpCYS2、MpCYS4和MpCYS5基因的抗逆生物學(xué)功能進(jìn)行了研究。所獲得的主要結(jié)果如下:1.在蘋果基因組中鑒定到26個(gè)cystatin家族基因成員,分布在蘋果的9條染色體上,這些基因編碼的蛋白質(zhì)含有cystatin保守的特征結(jié)構(gòu)域。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明植物中的cystatin基因可以分為4個(gè)亞族,而蘋果cystatin基因主要聚類到其中的3個(gè)亞族。對cystatin基因在不同組織的表達(dá)模式分析表明,選取的8個(gè)cystatin基因在楸子的根、莖、葉、花和種子中表現(xiàn)出組成型表達(dá)。在葉片的成熟、衰老過程以及不同非生物脅迫處理后的實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析表明,該家族基因可能參與蘋果屬植物生長發(fā)育、葉片衰老以及抵御非生物脅迫過程。隨后,從楸子成熟葉片中克隆得到5個(gè)cystatin基因(MpCYS1、MpCYS2、MpCYS3、MpCYS4、MpCYS5),它們均含有高度保守的cystatin結(jié)構(gòu)域。2.MpCYS2基因的表達(dá)受到干旱、MV及外源ABA的誘導(dǎo)。亞細(xì)胞定位分析表明,MpCYS2基因主要定位于洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)。擬南芥異源表達(dá)MpCYS2可以促進(jìn)滲透脅迫及氧化脅迫下種子的萌發(fā)和籽苗的生長。同時(shí),干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株抗性更強(qiáng),表現(xiàn)為葉片電導(dǎo)率更低、葉綠素含量更高、丙二醛積累量更低。脫水處理下,轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)活性氧(ROS)的積累量較少。另外,MpCYS2基因過量表達(dá)也影響了滲透脅迫下根毛的發(fā)育。這些研究結(jié)果表明,MpCYS2影響干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的生長和耐旱性可能是通過影響植株體內(nèi)ROS的積累和根毛的發(fā)育來實(shí)現(xiàn)的。3.MpCYS4基因的表達(dá)受到干旱、高溫、MV及外源ABA的誘導(dǎo),在葉片衰老過程中該基因的表達(dá)量也明顯提高。亞細(xì)胞定位分析表明,MpCYS4主要定位于洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)。并且,MpCYS4體外純化的融合蛋白對木瓜蛋白酶的活性具有抑制效果。MpCYS4基因在擬南芥和蘋果矮化砧木‘M26’中過量表達(dá)后,導(dǎo)致植株對ABA超敏感和其他一系列ABA相關(guān)的表型,如促進(jìn)了ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程,改變了很多ABA和脅迫響應(yīng)基因的表達(dá),并且提高了植株對干旱脅迫的抗性。這表明,MpCYS4可能參與了ABA信號傳遞過程,通過促進(jìn)干旱脅迫下氣孔的關(guān)閉,調(diào)節(jié)ABA和干旱響應(yīng)基因的表達(dá),提高植株的抗旱性。4.MpCYS4基因也可以影響蘋果葉片自然衰老以及脅迫誘導(dǎo)的衰老過程中葉片的光合能力和葉片蛋白的含量和組成。其在蘋果矮化砧木‘M26’中過量表達(dá)后,能夠有效延緩葉片衰老過程中光合能力的下降和葉綠素的降解,抑制半胱氨酸蛋白酶的活性,延遲葉片蛋白質(zhì)(尤其是Rubisco)的降解。而且,MpCYS4通過影響過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶的活力,提高ROS的清除能力,緩解衰老過程中的氧化損傷,保護(hù)植物細(xì)胞免受自由基的傷害。因此,MpCYS4不僅在蘋果非生物逆境脅迫應(yīng)答中具有重要功能,在蘋果葉片衰老過程中也發(fā)揮重要作用。5.通過酵母雙雜交試驗(yàn),我們篩選到與MpCYS4互作的蛋白MpFER。利用雙分子熒光互補(bǔ)技術(shù)(BiFC)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),MpCYS4與MpFER的相互作用主要發(fā)生在細(xì)胞膜上。MpFER編碼一個(gè)類受體蛋白激酶(RLK),與擬南芥FER高度同源。體外磷酸化試驗(yàn)表明,MpFER的活性受到MpCYS4的影響。亞細(xì)胞定位分析表明,MpFER主要定位在細(xì)胞膜上。MpFER的表達(dá)也受到干旱和外源ABA的誘導(dǎo),MpFER基因?qū)霐M南芥功能缺失突變體fer-4,可以恢復(fù)其對ABA超敏感的表型。因此,MpCYS4可能通過與MpFER互作參與蘋果干旱脅迫應(yīng)答過程。6.MpCYS5基因的表達(dá)受到鹽脅迫的誘導(dǎo)。MpCYS5體外純化的融合蛋白可以抑制木瓜蛋白酶的活性。該基因在擬南芥中異源表達(dá)可以提高植株對鹽脅迫的抗性,表現(xiàn)為鹽脅迫下轉(zhuǎn)基因植株的葉片電導(dǎo)率更低、葉綠素含量更高、丙二醛積累量更低。同時(shí),MpCYS5可以影響鹽脅迫下植株體內(nèi)ROS的含量和抗氧化酶的活力。另外,該基因也參與調(diào)控衣霉素誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫以及未折疊蛋白應(yīng)答(UPR)過程。通過檢測UPR響應(yīng)基因的表達(dá)我們發(fā)現(xiàn),衣霉素處理下這些基因的表達(dá)在野生型中被顯著誘導(dǎo),而在轉(zhuǎn)基因植株中沒有出現(xiàn)明顯變化。這表明,MpCYS5在擬南芥中異源表達(dá)后,植株同時(shí)表現(xiàn)出了對鹽脅迫和對衣霉素誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫的抗性。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S661.1

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本文編號：1300334