本文關(guān)鍵詞：楊樹WOX和HSP17.8基因在植物生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆脅迫中的調(diào)控作用研究　出處：《中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 楊樹 WOX HSP17.8 次生維管組織 不定根 抗逆 共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)

【摘要】：WUSCHEL-related homeobox(WOX)家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)控形成層干細(xì)胞維持、側(cè)生器官發(fā)育及離體組織器官再生不定根等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。Heat shock proteins(HSP)是一種具有抗逆作用的保護(hù)蛋白,在植物抵御逆境和適應(yīng)環(huán)境中發(fā)揮重要作用。本研究以楊樹PtoWUSa、PtoWOX4a、PtoWOX5a和PtrHSP17.8為研究對(duì)象,分析氨基酸序列相似性以及進(jìn)化關(guān)系,通過(guò)qRT-PCR和GUS染色分析基因的表達(dá)模式,通過(guò)轉(zhuǎn)化楊樹和擬南芥研究它們對(duì)楊樹葉片、莖、不定根生長(zhǎng)發(fā)育和植物抗逆性的影響。最后構(gòu)建共表達(dá)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),對(duì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中基因和潛在下游基因表達(dá)水平進(jìn)行分析,揭示PtoWUSa、PtoWOX4a、PtoWOX5a和PtrHSP17.8在楊樹次生維管、不定根發(fā)育和植物抗逆反應(yīng)中的作用機(jī)制。研究得到如下主要結(jié)論:1.PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a均含有保守的HD和WUS結(jié)構(gòu)域;其中Pto WUSa和Pto WOX5a含有ERF-like結(jié)構(gòu)域;雖然都含有保守的結(jié)構(gòu)域,但是非保守區(qū)域氨基酸變化較大,與不同物種間氨基酸的序列相似性在29%-99%之間。2.PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a在葉脈中均有表達(dá);PtoWUSa和PtoWOX4a在莖中高豐度表達(dá);PtoWUSa在頂端分生組織中有表達(dá),而PtoWOX4a在頂端沒有表達(dá);PtoWUSa和PtoWOX5a在根中的表達(dá)主要在根尖區(qū)域,而PtoWOX4a在根中的表達(dá)主要集中在根中柱區(qū)域。3.過(guò)表達(dá)PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a導(dǎo)致植株葉片生長(zhǎng)兩側(cè)向中間彎曲,葉片面積變小。在過(guò)表達(dá)PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a后與葉片葉片發(fā)育相關(guān)的YABBY1/3d、KAN1a、KAN1c和AS2基因的表達(dá)水平受到抑制。這一結(jié)果說(shuō)明,PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a對(duì)葉片發(fā)育具有保守的調(diào)控機(jī)制。4.過(guò)表達(dá)PtoWUSa、PtoWOX4a和PtoWOX5a導(dǎo)致植株不定根數(shù)目的增多,根長(zhǎng)變短。在PtoWUSa和PtoWOX5a的過(guò)表達(dá)植株中,不定根和側(cè)根根尖的膨大,側(cè)根著生部位的紊亂;在PtoWOX4a過(guò)表達(dá)楊樹中,不定根的直徑明顯增粗,木質(zhì)化增強(qiáng),不定根根尖也出現(xiàn)膨大。在擬南芥中過(guò)表達(dá)PtoWUSa,植株主根變短且失去了向地性,促進(jìn)了側(cè)根的伸長(zhǎng)。PtoWOX5a恢復(fù)atwox5突變體,突變體QC細(xì)胞的表型得到了恢復(fù),說(shuō)明PtoWOX5a能夠代替AtWOX5在RAM區(qū)域維持干細(xì)胞的穩(wěn)定,PtoWOX5a和AtWOX5具有功能的同源性。5.過(guò)表達(dá)PtoWUSa和PtoWOX4a導(dǎo)致植株莖生長(zhǎng)節(jié)間數(shù)變少,植株矮化。組織解剖結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示,過(guò)表達(dá)PtoWUSa和PtoWOX4a木質(zhì)部區(qū)域變寬,髓心部分變窄,而形成層區(qū)域?qū)挾葻o(wú)明顯變化。且過(guò)表達(dá)PtoWOX4a植株中韌皮纖維的數(shù)目變少,且單個(gè)韌皮纖維的面積變小,表現(xiàn)出與過(guò)表達(dá)PtoWUSa不同的表型。重力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯示,過(guò)表達(dá)PtoWUSa和PtoWOX4a增強(qiáng)了植株對(duì)重力的響應(yīng)。用不同特異啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)PtoWUSa和PtoWOX4a得到的轉(zhuǎn)基因楊樹中,植株的高生長(zhǎng)都受到了抑制,莖中木質(zhì)化程度加強(qiáng)。這些說(shuō)明PtoWUSa和PtoWOX4a在莖的次生生長(zhǎng)中具有功能的保守性。6.在PtrWUSa和PtrWOX4a共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)大量與糖運(yùn)輸、糖代謝相關(guān)、植物激素相關(guān)的基因、細(xì)胞周期和其它一些功能基因。定量結(jié)果顯示這些基因的表達(dá)在PtoWUSa和PtoWOX4a過(guò)表達(dá)植株莖中,受到不同程度的調(diào)控。在PtoWUSa和PtoWOX4a過(guò)表達(dá)植株不定根中的定量結(jié)果顯示,PtoWUSa和PtoWOX4a能通過(guò)影響PIN1、PIN3和WOX11/12等基因的表達(dá),對(duì)不定根的發(fā)育起到調(diào)控作用;PtoWOX4a還能影響與木質(zhì)部發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控不定根的次生生長(zhǎng)。這些結(jié)果對(duì)PtoWUSa和PtoWOX4a在莖次生維管和不定根發(fā)育中的作用機(jī)制進(jìn)行了初步的闡述。7.定量結(jié)果顯示PtoWOX5a能調(diào)控細(xì)胞分裂相關(guān)基因CYCD和CDF4的表達(dá)。在共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)有56個(gè)與根發(fā)育相關(guān)的基因,對(duì)其中52個(gè)基因的表達(dá)成功檢測(cè),有32個(gè)基因的表達(dá)水平下調(diào),20個(gè)基因的表達(dá)水平上調(diào)。這些結(jié)果揭示了PtoWOX5a能夠通過(guò)與這些功能基因協(xié)同作用共同調(diào)控楊樹不定根的發(fā)育。8.PtrHSP17.8是屬于胞質(zhì)定位的I類蛋白。PtrHSP17.8主要在莖和根中表達(dá),其表達(dá)受到不同生物脅迫的誘導(dǎo),特別是高溫脅迫。在擬南芥中過(guò)表達(dá)PtrHSP17.8能夠增強(qiáng)植株對(duì)高溫脅迫和鹽脅迫的抗性;在脅迫條件下過(guò)表達(dá)植株的成活率,根的長(zhǎng)度,相對(duì)含水量,抗氧化酶的活性,脯氨酸和可溶性糖的含量相比于對(duì)照都明顯增強(qiáng)。通過(guò)生物信息學(xué)手段構(gòu)建了PtrHSP17.8基因的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),其中包含了一些抗性響應(yīng)的基因(JAZ1、WRKY40和PIP3等),定量結(jié)果顯示在過(guò)表達(dá)植株中這些抗逆響應(yīng)基因的表達(dá)量相對(duì)于對(duì)照植株明顯上調(diào)。通過(guò)以上的結(jié)果可以推斷,PtrHSP17.8參與高溫以及鹽脅迫的響應(yīng),并通過(guò)調(diào)控JAZ1、WRKY40、PIP3等基因的表達(dá),進(jìn)而在植物抗逆反應(yīng)中發(fā)揮功能。本文對(duì)木本植株中WOX和HSP基因在植物維管發(fā)育、不定根發(fā)育和抗逆反應(yīng)中的作用進(jìn)行了研究,為全面了解不同物種中WOX和HSP基因的功能奠定了基礎(chǔ),對(duì)木材材性的定向改良、扦插擴(kuò)繁和植物抗性育種具有重要理論意義和潛在應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S792.11

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本文編號(hào)：1315889