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《南京农业大学》 2015年
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葡萄CPA1基因家族注释和功能分化及植物CPA1基因家族过表达的META分析

马媛春  
【摘要】:盐胁迫是世界范围内制约农业生产,威胁人类生存环境的生态灾难之一,它不仅影响植物生长发育,而且破坏土地资源,危害整个生态环境。所以合理开发利用耐盐/抗盐植物品种是能从根本上缓解这一危害的重要办法。阳离子/质子逆向转运体1(Cation/proton antiporter,CPA1)是植物转运系统中是非常关键的角色。该家族蛋白可以通过对钠离子进行液泡区隔化,钠离子外排以及对钾离子浓度的调控,增强植物的抗/耐盐性。葡萄(Vitis vinifera L.)是世界性范围内栽培的果树,属于经济效益较高的树种,较为耐旱,在干旱半干旱地区栽培广泛。在干旱地区次生盐害日益严重,逐渐成为威胁葡萄正常生长,制约葡萄产业发展的重要非生物胁迫因素。有关葡萄CPA1家族的研究还未见报道。在对基因功能研究的过程中,常常利用转基因方法过量表达某一基因来确定该基因的实际功能,转基因育种工作也在某些物种相继展开。然而,转基因试验涉及多方面的变量因素,这就对判定某一基因的功能以及产生的最终生理效应带来了一定的干扰。因此,清楚的了解变量因素产生的干扰效应,对理解基因功能显得尤为重要。本研究中我们采用综合生物信息学研究方法,从全基因组角度对葡萄CPA超基因家族成员进行了鉴定和分析,并对其基因结构,蛋白结构特征进行研究。解决了有关葡萄CPA家族基因成员的数目的分歧,同时揭示了复制事件对葡萄CPA家族基因扩增的贡献。最终依据参考基因组鉴定出了 29个葡萄CPA基因。此外,对六个物种中CPA1亚家族基因成员做了全面的结构分析和进化分析,在葡萄和拟南芥之间还发现具有一些亚组特异性的基序,这对CPA1基因家族在葡萄响应盐胁迫的生理过程中的功能地位以及培育葡萄抗盐品种奠定了良好的数据基础。分析了葡萄CPA1基因家族成员在响应短期渗透胁迫和NaCl胁迫过程中的表达特性。鉴定出两个基因在早期盐胁迫响应的过程中表现出不同组织器官中的亚功能化,其中VIT_19s0090g01480基因控制葡萄根系中钠离子的区隔化而VIT_05s0020g01960基因影响茎中钠离子的转运。根据NaCl胁迫条件下离子浓度以及电解质渗透率的变化,并结合CPA1家族基因在根,茎和叶中的表达模式,得出葡早期盐胁迫响应的调控机制模型,这对今后CPA1基因家族在盐响应过程中生物学功能方面的研究以及葡萄耐盐性研究奠定了基础。本研究利用meta分析,定量分析了所有有关CPA1基因在植物体内过量表达后,在NaCl响应过程中,CPA1基因家族成员究竟影响了哪些植物特性,以及分析了试验过程中的条件是否对该基因在转基因植物中的功能挥发有影响。结果指出,在被测的19个指标中过量表达CPA1s基因可以使其中14个指标提高24%以上,其中根部K+/Na+比例甚至提高了 131%,种子发芽率和叶绿素浓度分别增加147%和100%。在被测的11个调节变量中,有部分变量分别不同程度的影响CPA1s基因的效果:比如培养基的种类(固体vs液体),基因供体和基因受体的类型(单子叶vs双子叶),基因供体和受体的种类,还有不同的基因成员。针对不同基因成员的影响,我们发现SOS1和SOS1+对根部和茎尖部分的K+和Na+的影响比NHX1和NHX1+的要小。植物在NaC1条件下暴露的时间越长CPA1s受到的诱导越强从而受到正向调控的指标就多,但对茎尖Na+和根长,还有种子发芽率表现出负调控。这些发现有助于日后CPA1基因家族在植物耐盐性中功能理解和利用基因工程手段进行耐盐性植物育种。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:Q943.2;S663.1

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