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甘菊响应盐诱导的分子机理研究

黄河  
【摘要】:世界上约20%的可耕地受到盐渍和干旱的影响,这两种胁迫是作物减产的主要原因。至2050年,盐渍化土壤的面积可能占到耕地面积的50%,而世界人口在2050年有可能增加至91亿。因此,在盐渍土上发展抗逆性强的农作物和园艺作物对于可持续发展农业具有重要意义。环境胁迫同时严重制约着花卉产业和园林植物景观规划的发展,所以培育抗逆性强的园林植物对于园林绿化具有重要意义:菊花(Chrysanthemum×morifolium Ramat)是中国传统名花,也是世界著名的重要观赏花卉和商品花卉,但由于其遗传背景复杂,针对菊花的抗逆性研究进展缓慢。本文作者使用菊属耐盐植物甘菊[Chrysanthemum lavandulifolium (Fisch. ex Trautv.) Makino]作为模式植物,利用转录组数据解析其抗盐生理和分子机理,并筛选其中响应胁迫的候选基因,使用表达分析、生物信息学和转基因等方法对候选基因在抗盐网络中的调控功能进行了探索。以期为阐明菊花抗盐分子机理并开展抗逆分子育种奠定基础。 本研究主要结果如下: 1.通过对100、200和300mM NaCl盐胁迫下甘菊的生理指标测定,我们发现,300mM处理6-12 d对甘菊造成了不可逆的损伤,而100mM处理和200mM处理6d的时间内,甘菊各项生理指标呈现持续上升的变化趋势,这一结果证明甘菊为盐生植物,具有特殊的抗盐机制。 2.使用高通量的数字表达谱分析和传统的组学分析技术(cDNA-AFLP技术),我们得到了甘菊中响应和抵御盐胁迫的基因群。通过对数字表达谱数据进行分析我们发现,200 mMNaCl盐冲击12h以内,甘菊MAPK级联通路、PP2C基因家族、ABA通路相关基因被激活,其通过激活NAC、WRKY, AP2/EREBP基因家族的表达,以调控转录调控网络感知盐诱导,这一过程中Na+/K+转运效率和苯丙氨酸类次生代谢物的合成提高,而基础代谢和蛋白合成途径均总体被抑制。cDNA-AFLP分析的结果表明,在200mM NaCl盐胁迫48 h时,甘菊中活性氧清除类和离子转运类基因表达呈现上调,推测这些应该是甘菊抵御盐胁迫的主要基因群。 3.对离子转运相关的ClSOS1基因和ClAKT基因进行表达分析和生物信息学分析证明,CISOS1基因在根部感知盐信号,ClAKT基因是一个具有新功能的钾离子通道蛋白基因,能够高效缓解转基因植株盐胁迫和干旱胁迫造成的钾饥饿,并能在盐胁迫下高效外排钠离子。 4.首次发现了甘菊中Nudix水解酶基因家族能够在非生物胁迫下具有信号转导的功能。其中家族成员ClNUDX1能够响应多种胁迫和激素处理,其有可能通过与脱落酸通路和水杨酸通路受体蛋白互作,调控甘菊的抗盐基因网络。 5.首次对非模式植物中的NAC基因家族进行了系统的功能研究,得到了其中能够响应至少5种胁迫和激素处理的10个家族成员,其分属于7个亚家族,除ATAF亚家族外,其他均为首次报道在植物响应胁迫过程中起调控作用。转基因试验证明,ClATAF能够调节拟南芥中多个抗盐节点基因的表达,暗示其在甘菊响应盐胁迫过程中起重要调控功能。 综合上述研究结果我们得出了本研究的主要结论:甘菊为盐生植物,其主要通过信号转导和盐离子转运系统抵御盐胁迫,依据上述结论,推测出了甘菊响应盐诱导的分子机理模型。在甘菊中发现的耐盐机制和部分候选基因的新功能丰富了高等植物耐盐机理,并为后期的菊花抗逆性基因工程育种工作提供了良好的基因资源,具有重要的理论和实际意义。


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