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油菜素内酯对毛竹(Phyllostachys edulis)生长发育的影响及其调控机制研究

张哲  
【摘要】:毛竹(Phyllostachys edulis)是一种禾本科刚竹属的乔木状禾本科植物,是我国种植面积最大的竹子品种。毛竹具有速生的特性,其茎秆的生长速度最快可达每天1米。已有研究表明,多种植物激素参与到毛竹快速生长的调控过程中。相较于其他的植物激素,油菜素类酯(Brassinosteroids,BRs)在调控植物细胞伸长、细胞分化、维管发育、育性以及生物及非生物胁迫响应等多个生命进程中发挥着独特的作用。然而目前油菜素内酯如何调控毛竹生长发育特别是快速生长尚不明确。本研究利用外源施加的油菜素内酯及其特异生物合成抑制剂丙环唑(Propiconazole,PPZ),观察毛竹实生苗幼苗阶段以及毛竹笋速生阶段的表型响应,对毛竹幼苗的地上部与地下部分别进行了转录组差异表达基因的分析,并对典型的差异基因进行了克隆与功能分析。主要研究结果如下:(1)使用100μM PPZ、1μM 2,4-表油菜素内酯(EBL)处理快速生长时期的竹笋。观察到对竹笋发育极为重要的苞叶在EBL和PPZ处理下表现出显著的差异反应。EBL处理促进了苞叶的伸长和弯曲角度的增加,相对应的PPZ处理抑制了苞叶生长,而且这一抑制表型能通过施加EBL得到梯度的恢复。可见油菜素内酯对毛竹笋苞叶生长发育具有重要的影响。(2)为了检测BR在毛竹幼苗时期生长过程中的作用,本研究利用PPZ施加在土壤中生长10天的毛竹实生幼苗。与对照处理组相比,50μM与100μM PPZ处理组显著降低了毛竹整体株高和节间长度,并且显著减小了毛竹幼苗的叶夹角角度,这一表型同样能通过施加BR恢复。以上证据表明,BR对毛竹幼苗生长发育具有重要的促进作用。(3)对PPZ和BR处理后的毛竹幼苗的地上部和地下部分别进行了RNA-Seq转录组分析。分析表明PPZ处理中毛竹变化基因主要集中在细胞壁组织或生物合成、细胞对氧化应激的反应、过氧化氢分解代谢过程和苯丙醇代谢过程,而受BR处理影响的变化基因则集中在细胞壁组织生物合成和过氧化氢分解代谢过程的通路中,并对特征基因进行了验证。这些结果表明BR主要通过调节毛竹的细胞壁合成和细胞氧还反应等相关基因进程调控毛竹的生长发育。(4)PPZ和BR处理显著调节生长素信号转导通路的转录因子基因的表达。PPZ处理导致3个生长素响应因子(Pe ARFs)表达量上调,13个ARF相互作用的负调控因子AUX/IAA(Pe IAAs)都下调。与生长素处理的毛竹变化基因相比,本研究发现有48.6%(67/138)同时响应BR和PPZ的基因同时受到生长素的调节。实验数据证明在毛竹实生苗幼苗的生长进程中,BR与IAA途径之间存在着相对复杂的交叉调控作用。(5)通过对毛竹幼苗处理BR响应基因的分析,经过生物信息学分析寻找到功能尚未知晓的基因,并将其命名为参与响应BR调控的毛竹基因Bamboo BR regulate genes(BBRGs)进行后续研究。其中一个BR负调控的基因BBRG14,编码一个定位于线粒体的蛋白,而且毛竹快速生长的节间中具有特异的组织定位分布。过量表达BBRG14的拟南芥出现了包括分生组织变小,细胞长度减少等在内的生长抑制现象,并负调控BR的合成基因及其他下游基因。通过对BBRG14基因的功能研究,暗示BR可能通过调控线粒体蛋白的表达,协调毛竹的细胞伸长,为揭示油菜素内酯在毛竹生长发育过程中的分子调控机理提供的实验依据。


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