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细胞分裂素代谢在小麦滞绿突变体tasg1中的作用及调控机制

王文强  
【摘要】:小麦是我国重要的粮食作物。虽然小麦的产量在近几十年有了大幅的增加,但是由于现在大量农业用地被工业所占有,耕地面积不断减少,随着全球人口的迅速增加,粮食危机依然很严重。因此在有限的土地上实现粮食单产成为解决粮食危机的重要途径。小麦早衰已经成为影响产量的重要因素。延缓小麦生育后期的衰老,延长有效光和时间,是提高小麦产量的重要途径之一。小麦滞绿突变体在衰老后期叶绿素基本不降解或降解很慢,而且仍然保持较强的光合作用,能够大幅提高生物量,因此在提高小麦产量方面具有很大的潜能,在育种上具有较高的利用价值。实验室通过EMS诱变的方法获得了一个延缓衰老的小麦滞绿突变体,命名为tasg1。前期研究表明,与野生型核生2号(WT)相比,突变体tasg1具有明显延缓衰老的表型。在干旱处理的条件下,光合与抗氧化能力显著提高,类囊体膜蛋白也更稳定。同时,表型观察发现突变体tasg1除了延缓衰老的表型以外,其叶片变大、分蘖能力显著提高,这一结果暗示突变体tasg1的细胞分裂素(CK)代谢可能发生了改变。本试验以WT及突变体tasg1为材料,研究了细胞分裂素代谢在小麦滞绿突变体tasg1中的生理作用及其分子机制。主要结果如下:(1)探究了突变体tasg1的滞绿变异与细胞分裂素代谢的关系。表型观察发现突变体tasg1的根的形态建成发生了明显变化,侧根数量明显减少,但已有侧根的长度明显增长,暗示突变体tasg1中细胞分裂素的代谢可能发生了变化。同时,突变体tasg1中细胞分裂素含量和活性都明显提高。细胞分裂素合成相关的基因(TaIPTs)表达量显著提高。相反,细胞分裂素氧化酶基因(TaCKs)的表达显著降低。结果表明细胞分裂素的代谢在突变体tasg1中确实发生了改变。细胞分裂素合成抑制剂洛伐他汀(lovastatin)处理WT与tasg1的结果发现,突变体tasg1对抑制剂lovastatin的更加敏感。抑制剂lovastatin处理显著降低了突变体tasg1中叶绿素含量以及类囊体膜蛋白的稳定性。同时,衰老相关基因(TaSAGs)的表达量显著上调,膜脂氧化和蛋白羰基化程度显著提高,抗氧化能力明显降低。以上结果表明,细胞分裂素代谢改变在突变体tasg1延缓衰老过程中起着重要作用。(2)探究了突变体tasg1的籽粒发育与细胞分裂素和蔗糖代谢的关系。表型观察发现突变体tasg1除了生育后期表现出明显的延缓衰老以外,其籽粒在灌浆前期明显大于野生型,但在灌浆后期其籽粒又明显小于野生型。暗示突变体tasg1中细胞分裂素和蔗糖代谢可能发生了变化。同时,突变体tasg1在灌浆中后期的光合效率明显提高,旗叶中可溶性糖的的积累明显增加。进一步研究表明,在灌浆前期,突变体tasg1中细胞分裂素含量显著提高,同时,受细胞分裂素调控的细胞周期基因的表达量也显著提高。在灌浆后期,突变体tasg1籽粒中细胞壁蔗糖转移酶(CW-Invertase)的活性显著升高。同时,籽粒中可溶性糖的的积累明显增加。以上结果表明,灌浆前期突变体tasg1中细胞分裂素可能通过调控有丝分裂过程进而调控籽粒细胞前期的变大。在灌浆后期,细胞分裂素通过调控蔗糖转移酶的活性进而调控了蔗糖的再分配,使过多的蔗糖滞留在营养生长的器官中,例如旗叶,这可能是突变体tasg1在生育后期延缓衰老的一个重要原因。另一部分蔗糖在细胞壁蔗糖转移酶的作用下进入籽粒,但由于可溶性糖到淀粉转化效率的下降,导致突变体tasg1在灌浆后期籽粒明显小于WT。(3)探究了突变体tasg1滞绿变异与细胞分裂素和氮素代谢的关系。表型观察发现突变体tasg1在生育后期(28天)表现出明显的延缓衰老的表型。同时,细胞分裂素含量与总氮素含量都显著提高。RNA-seq数据也进一步证明,生育后期(28天),更少的基因参与突变体tasg1细胞分裂素与氮素降解途径中。为了研究氮素的代谢在突变体tasg1滞绿变异中的作用及其与细胞分裂素代谢的关系,我们利用外源方法调控氮素与细胞分裂素含量水平。实验室条件下用NH_4NO_3处理幼苗,结果发现WT与突变体tasg1都表现出延缓衰老的表型。NH_4NO_3处理后不仅总叶片中氮素含量提高,细胞分裂素含量也有明显提高。但是,细胞分裂素的合成抑制剂洛伐他汀(lovastatin)处理发现,突变体tasg1与WT均出现早衰的表型。处理后不仅细胞分裂素含量明显下降,其总氮素含量也明显降低。这些结果表明,细胞分裂素与氮素相互作用调控突变体tasg1生育后期延缓衰老的代谢过程。(4)探究了顺式玉米素葡糖基转移酶(cisZOGT1)基因与突变体tasg1延缓衰老的关系。我们通过对RNA-seq的数据进行分析与筛选,找到了一个候选基因(Traes_2AL_21065D298),基因比对结果证明是顺式玉米素葡糖基转移酶(cisZOGT1)。RNA-seq与qRT-PCR的数据表明突变体tasg1中cisZOGT1基因的表达量是WT的14%。我们进一步筛选了四倍体小麦Kronos的突变体库,并筛选到一个顺式玉米素葡糖基转移酶转录终止的突变体2885,其序列由CAG突变为TAG,形成转录终止结构。在灌浆后期,突变体2885表现出明显延迟衰老的表型,同时,旗叶中ZR、DHZR和氮素含量显著升高。为了进一步证明cisZOGT1基因在突变体tasg1灌浆后期延缓衰老的作用,我们在短柄草中过表达了cisZOGT1基因。与WT相比,过表达cisZOGT1的短柄草植株在灌浆后期也表现出延迟衰老的表型。尽管植株中ZR和DHZR的含量显著降低。棉花子叶法检测实验进一步证明过表达cisZOGT1的短柄草植株中活性的细胞分裂素水平显著降低。以上结果表明,cisZOGT1基因在一定程度上调控细胞分裂素与氮素代谢过程,进而参与了植物延迟衰老的代谢过程,但过表达cisZOGT1基因在细胞分裂素的代谢过程中是非常复杂的,其生理意义与调控机制尚不清楚。综上所述,细胞分裂素代谢改变在突变体tasg1滞绿变异过程中起着重要作用。同时,细胞分裂素代谢也能通过与氮代谢相互作用、调控蔗糖代谢进而调控突变体tasg1生育后期延缓衰老的过程。


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