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玉米萜类合成酶基因TPS10表达调控的研究

李圣彦  
【摘要】:玉米(Zea mays L.)作为重要的粮食作物和工业原料在国民经济中占据重要地位。虫害是制约玉米产量的关键因素之一。已有的研究结果表明玉米萜类合成酶在玉米的间接防御中起到非常重要的作用。玉米受到鳞翅目幼虫为害后,叶片会释放一系列的萜类化合物吸引害虫的天敌。虽然在过去的二十年中玉米已经成为研究植物间接防御的一个模式系统,但是对于萜类合成酶基因的表达调控机制在玉米中还未见报道。本研究以玉米萜类合成酶基因TPS10启动子为主要研究对象,目的是阐明玉米萜类合成酶基因TPS10的表达调控机制。qPCR结果表明TPS10基因受虫害和MeJA诱导表达,表达部位在叶片并且其表达水平在一定程度上受光合作用的影响。PLACE预测结果显示1727 bp的TPS10启动子序列中存在多个与植物防御相关的顺式作用元件,如GCC-box,G-box,W-box。转基因拟南芥的GUS组织化学染色及酶活性测定结果表明TPS10启动子的-300至-200区域为启动子保持虫害诱导活性的功能序列,其中的GCC-box为TPS10基因表达的一个关键元件。同时189份玉米自交系品种的检测结果表明GCC-box在不同玉米自交系的TPS10启动子中是保守的。以TPS10启动子的-300至-200区域为诱饵序列,酵母单杂交高通量筛选拟南芥转录因子文库获得7个拟南芥AP2/ERF转录因子。通过系统进化树分析得到与7个拟南芥AP2/ERF转录因子进化关系较近的17个玉米ERF转录因子。qPCR结果表明17个玉米ERF转录因子中只有EREB58受虫害和MeJA诱导表达,并且它的表达模式和TPS10的非常类似。亚细胞定位结果显示EREB58特异定位在细胞核中。酵母单杂交实验,凝胶阻滞实验结果表明EREB58能够与TPS10启动子中的GCC-box特异结合。拟南芥原生质体瞬时表达分析结果表明EREB58通过与GCC-box的结合激活基因的表达,具有转录激活活性。转基因玉米中过表达EREB58能够激活TPS10基因的转录及其倍半萜化合物(E)-β-farnesene和(E)-a-bergamotene的释放。相比之下,将EREB58通过RNAi敲除掉后在MeJA处理条件下TPS10基因不转录也无倍半萜化合物的释放。这表明在玉米中EREB58对于TPS10的诱导表达以及倍半萜挥发物的合成都是充分必要的。此外,我们对玉米萜类合成酶基因TPS6的启动子也进行了初步的研究,研究结果表明TPS6启动子的-100至-1区段具有启动子活性,下一步我们将对该区段进行详细研究。以上实验结果表明,玉米中EREB58通过与TPS10启动子中的顺式作用元件GCC-box结合,激活TPS10基因的表达及其倍半萜化合物的释放,阐明了玉米萜类合成酶基因TPS10的表达调控机制,对于解析玉米防御体系的分子调控网络及培育抗虫玉米品种具有重要意义,同时也为其他植物的防御体系的分子调控网络的研究提供新的思路。


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