赤霉素在非生物胁迫响应中的作用研究

【摘要】：植物在整个生长周期中不能自由移动,因此常常面临非最适生长条件的环境胁迫,对这些外界不利因素及时作出适当的响应对植株在逆境中的生存是至关重要的。在非生物胁迫条件下,植物往往发生不同程度的生长延缓,发育为矮化株型,研究表明赤霉素(gibberellin,GA)代谢通路可能参与该非生物胁迫响应过程,但其中具体分子调控机制及其作用尚不清楚。本文利用转基因技术,创建了GA代谢正向与负向调控转基因植株以及关键逆境响应转录因子CBFl超表达烟草植株；基于RT-PCR分析,对非生物胁迫下GA代谢通路的调控模式进行了分析；并基于对野生型烟草与转基因烟草高通量基因表达谱分析,对GA代谢调控与超表达CBF1引起的差异表达基因进行了分离与功能分析；基于对GA与CBF1共同响应基因功能分析,对GA在CBF1介导的非生物胁迫响应通路中的作用进行了阐明。通过以上研究,获得的结果如下： 1.超表达PtGA20ox转基因植株内源GA1水平极显著增高,表现出典型GA过量表型,节间伸长迅速,叶色浅绿；而超表达PtGA2ox1与AtCBFl转基因植株均会显著降低内源GA1水平,表现出GA缺乏表型,矮化,叶色暗绿等。GA代谢调控转基因植株GA1失活直接产物GA8均出现显著增高,而超表达CBFl转基因植株内源GA8水平则差异不明显,表明CBF1限制了GA代谢通路前体的输入。 2.在低温、渗透与盐胁迫条件下,拟南芥GA代谢通路前体GGPP的上游合成基因受到了广泛抑制,低温处理与超表达CBF1转基因植株GGPP直接合成酶基因GGPPS表达被抑制,表明GA前体GGPP的积累在非生物胁迫条件下被抑制。但在低温条件下,活性GA失活酶基因同时被激活,这种调控模式与超表达CBF1转基因植株正好相反,表明除了CBF1通路外,低温胁迫下,至少还存在另外一种GA代谢调控机制共同发挥作用。 3.超表达PtGA2o1、PtGA20ox与AtCBFl转基因植株与野生型烟草植株相比基因表达谱被重塑,采用FC2,P0.05的筛选域值,共得到293个基因在超表达GA2ox转基因植株与野生型植株间存在表达差异,其中有88个基因随着GA水平的下降表达上调,而205个表达下调；536个基因在超表达GA20ox转基因植株与野生型植株间存在表达差异,这一数量是35：G2植株(PtGA2ox1转基因植株)的1.8倍,其中有224个基因随着GA水平的提高表达上调,而312个表达下调；共得到354个基因在35：CBF转基因植株与野生型植株间存在表达差异,其中有95个基因表达上调,而259个基因表达下调,这一比例与35：G2相似,这两种转基因植株生长的延滞可能与数量众多的基因表达被抑制相关。无论GA代谢调控与CBFl超表达转基因植株差异表达基因均在“刺激响应”与“代谢活性”功能有富集,前者与胁迫响应直接相关,而后者可能参与了生长发育速率的控制。 4.对GA浓度依赖与CBF1共同调控基因进行了筛选,共获得43个候选基因,其中14个基因在35：CBF与35：G2中表达被激活,29个表达被抑制。这些结果暗示低浓度GA在35：CBF转基因植株中以抑制基因表达为主。高GA水平不利于过氧化物酶的积累,而低水平GA会促进甜菜碱等渗透调节物质前体的合成；GA水平影响叶片的保水性,低水平GA会促进某些与角质层积累相关基因的表达；GA通过代谢与信号传递等不同层次参与SA/JA信号通路的平衡,在非生物胁迫响应中,CBF1通过GA信号通路促进了JA信号通路的活性,暗示JA可能在逆境适应中发挥一定作用。 本研究对非生物胁迫响应中GA代谢通路的调控位点进行了分析,并对GA代谢调控在非生物胁迫响应中的作用进行了揭示,为抗逆育种理论与策略的发展提供了新的视野,并为植物生长与抗逆性平衡机制进一步深入研究与遗传调控奠定了基础。