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拟南芥糖基转移酶基因UGT91C1抗除草剂磺草酮的作用分析

张玉英  
【摘要】:随着现代农业水平不断提高,除草剂的使用日益广泛。植物由于自身代谢的特异性能够减弱或消除除草剂带来的伤害,获得除草剂抗性,是现阶段抗除草剂植物研究的重要理论依据。植物体如何广泛地应对除草剂的选择毒性,以此取得除草效益最大化成为人们最关注的问题。植物体内普遍存在的糖基转移酶能够对受体分子进行糖基化修饰,改变受体的物理特性及生物活性,因而在解除除草剂的毒性方面具有重要应用潜力。糖基转移酶家族成员数量众多,功能多种多样,大多数糖基转移酶成员的催化底物并不明确,功能并不清楚,值得深入研究。我们根据公开的芯片数据得知,拟南芥糖基转移酶基因UGT91C1受到人工合成的除草剂诱导后表达上调,因此推测该基因可能参与植物对除草剂的响应过程。本文对拟南芥糖基转移酶基因UGT91C1进行了相关研究,试图明确其对除草剂的生化活性以及抗除草剂的功能作用,进而探索植物糖基转移酶在培育抗除草剂作物上的应用潜力。主要研究内容与结果如下:首先应用qRT-PCR分析证明了糖基转移酶基因UGT91C1能够受多种除草剂的诱导表达上调。接着通过糖基转移酶蛋白的原核表达、纯化与体外生化酶活鉴定,发现糖基转移酶UGT91C1可以糖基化修饰除草剂磺草酮。并且,通过对UGT91C1转基因植物和野生型拟南芥植株体内磺草酮糖苷含量的比较,证明了UGT91C1在植物体内对磺草酮具有同样的糖基化修饰活性。通过UGT91C1的过表达体和突变体进一步研究了基因的抗除草剂特性。在适宜浓度的磺草酮处理后再进行恢复生长,发现UGT91C1过表达株系叶片的生长状况明显好于野生型,而突变体株系则对磺草酮处理更加敏感。比较磺草酮处理后UGT]91C1过表达株系、突变体与野生型叶片的叶绿素含量,发现过表达株系叶绿素含量高于野生型,而突变体株系的叶绿素含量则低于野生型。观察了磺草酮处理后各株系离体叶片的白化情况,发现与过表达体相比,突变体与野生型更容易出现叶片白化。由于磺草酮主要影响植物的酪氨酸代谢途径,为了进一步探究UGT91C1对抗磺草酮的作用机制,通过qRT-PCR分析了磺草酮处理后UGT91C1转基因和野生型株系酪氨酸代谢相关基因的表达变化。发现除草剂作用的靶点酶的上游基因在过表达体中上调,在突变体中下调。而其靶点酶下游的基因则出现相反的表达变化。这些结果说明糖基转移酶UGT91C1通过糖基化修饰磺草酮,导致酪氨酸代谢出现补偿性变化,从而减弱除草剂造成的影响,在一定程度上恢复植物的生长。综上,本研究从拟南芥糖基转移酶UGT91C1对磺草酮糖基化修饰入手,通过一系列生理生化以及遗传学数据证明糖基转移酶基因UGT91C1参与到对除草剂磺草酮的抵抗过程中。这一结果进一步丰富了植物糖基转移酶的解毒作用,为接下来糖基转移酶的功能研究提供了新的思路。另外,该实验鉴定的糖基转移酶基因UGT91C1有希望应用在培育抗除草剂作物上,为农业的抗性育种提供了新的基因资源。


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