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豆科植物LATHYROIDES基因的功能研究

庄黎丽  
【摘要】:在植物器官发育过程中,有很多重要的调控因子参与其中,在不同的物种中,这些调控因子发挥保守的功能来控制植物器官的属性以及决定器官形状和大小。最令人感兴趣的是,在长期的进化过程中,这些因子是否获得了物种特异的功能,并且被整合到不同的分子途径中去,从而产生了自然界丰富多样的植物形态。本研究在豆科植物豌豆和百脉根中筛选了一个等位的基因座,发现这个基因座与豌豆经典遗传学中发现的一个位点LATHYROIDES (LATH)等位,lath突变以后会造成多效性的表型,影响器官中侧轴向的发育。通过比较基因组学方法克隆了LATH基因,它编码了一个含有同源异型蛋白模指的转录调控因子,其氨基酸序列与拟南芥中的WOX1高度同源;利用遗传学、细胞生物学和分子生物学等技术对LATH的功能进行研究,结果表明:LATH可以与多个发育途径的因子相互作用,参与了背部花瓣和复叶的发育。 1.在豌豆和百脉根基因组中鉴别lath突变位点 在豌豆快中子诱变群体中得到6个等位突变体,其表型与经典的lathyroide突变体表型类似,遗传学研究表明,它们与lath属于同一个基因座。在百脉根EMS诱变群体中得到narrow organ1(nao1)突变体。lath和nao1突变体的花瓣和叶片变窄,最明显的表型是背部花瓣变为一窄条形、失去大部分的裂片组织和细胞,且突变体雌性不育。遗传分析结果表明nao1与lath都受隐性单基因控制。 2.比较基因组学克隆LATH/NAO1 通过精细定位,把NAO1基因锚定在百脉根4号染色体长臂末端CM0042重叠群250K的区域。比较基因组学分析发现,该区域与蒺藜苜蓿的第4号染色体AC174277和AC137078所在区域有着非常好的微共线性,而且豌豆LATH基因也被定位到对应的共线性区域。生物信息学分析发现,共线性区域内有一个WOX1(WUSCHEL RELATEDHOMEOBOX1)同源基因,在nao1突变体中,LjWOX1发生一个核苷酸的替换导致蛋白翻译提前终止,在豌豆6个lath等位突变体中,PsWOX1基因均发生突变。 3.LATH基因表达模式 RT-PCR分析发现,LATH基因在豌豆地上器官均有表达,且在花苞中表达量最高,但在根中没有检测到LATH基因表达。原位杂交结果显示,LATH基因在托叶和小叶的中央维管束及两侧区域,花瓣和早期雄蕊两端及心皮的背部融合处表达;在顶端分生组织没有检测到LATH表达。 4.LATH与PsCYCs在花型发育中的相互作用 由于lath有强烈的背部花瓣的表型,我们在lath遗传背景下,引入了调控背部花瓣和侧部花瓣发育TCP基因(PsCYC2和PsCYC3)的突变(lst和k)构建了一系列双突变体,研究LATH与PsCYCs之间的相互作用。lath k双突变体表现为叠加的表型,lath lst双突变背部花瓣呈现lst抑制lath的表型,而侧部和腹部花瓣呈现lath突变体表型。细胞生物学分析发现:lath突变体背部花瓣缺失了典型花瓣裂片细胞区域,lst1-2突变体背部花瓣呈现侧部花瓣属性,而lath1-2lst1-2双突变体背花瓣呈现出具有背部属性的花瓣裂片细胞区。上述结果说明在豌豆花发育中,LATH与PsCYC2的遗传互作对于花瓣的背部属性有决定性作用。 通过定量PCR的方法检测发现LATH与PsCYC在转录水平没有直接的调控关系。在酵母双杂交实验中也未检测到LATH与PsCYC2之间有相互作用。上述结果提示:LATH与PsCYC2的互作应该发生在转录后,但LATH与PsCYC2之间可能不发生直接的蛋白与蛋白间的相互作用。 5.LATH基因参与豌豆复叶的发育 LATH基因突变后,复叶中的卷须属性发生改变,与豌豆tendril-less(tl)突变体表型(小叶取代卷须)非常类似。定量PCR分析发现,lath等位突变体中Tl基因表达量均显著下调,表明:LATH基因可以通过调控TL表达,影响卷须属性和参与复叶发育的分子调控。


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