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番茄SlMYB75和SlNAC6转录因子在果实成熟及胁迫应答中的功能研究

简伟  
【摘要】:番茄是一种世界范围内广受消费者喜爱的重要经济作物,同时也是研究肉质果实发育与成熟的最佳模式植物。MYB和NAC转录因子均是植物最大的转录因子家族之一,其中NAC转录因子是植物所特有。虽然目前有关这两个转录因子家族的研究已取得一定进展,但主要集中在模式植物拟南芥中,并且它们中的一些成员被证明在植物生长发育、成熟及胁迫应答等过程中具有重要功能。本论文以番茄为研究材料,通过生物信息学、遗传学、细胞学、分子生物学和生理生化等方法对SlMYB75和SlNAC6转录因子在番茄果实成熟及胁迫应答过程中的功能进行了研究。取得的主要结果如下:(1)序列比对分析发现SlMYB75与控制血橙花青素形成的关键MYB转录因子高度同源。SlMYB75基因能够被多种非生物胁迫条件和外源激素诱导表达,这与其启动子区域存在多种胁迫和激素响应相关的顺式作用元件相一致。qPCR分析表明SlMYB75基因在番茄果实中的本底表达水平很低,但是超量表达该基因(SlMYB75-OE)能够诱导花青素在番茄各个组织中大量积累并获得显著紫色的番茄果实,其红熟期果实的花青素含量高达1.86 mg g~-11 FW。此外,与野生型(WT)番茄果实相比,SlMYB75-OE果实的成熟延迟。(2)除了感观上大幅增加的花青素,SlMYB75-OE果实成熟过程中的部分品质属性也显著提高,包括黄酮类物质、酚类物质、可溶性糖和芳香挥发物,特别是有些萜烯类挥发物(萜烯类挥发物在WT番茄果实中本底含量很低)的含量能够被提高到10倍以上。与此相对应,转录组分析发现SlMYB75-OE果实中相关的多条代谢途径,如苯丙烷和芳香挥发物等途径均发生了变化。酵母单杂交和双荧光素酶实验表明,SlMYB75转录因子具有调节功能,能够与MYBPLANT和MYBPZM元件相互作用,并且可能通过直接靶向调控下游芳香合成基因(LOXC、AADC2和TPS基因)的表达来促进芳香挥发物的积累。(3)SlMYB75-OE紫番茄含有3种主要的花青素成分,并且其中含量最高的花青素成分被初步确定为矮牵牛色素-3-氧-(对-香豆酰)-芸糖苷-5-氧-葡萄糖苷。SlMYB75-OE果实的抗氧化能力显著增强,进而使得该果实的货架期显著延长和对灰霉菌的抗性显著增强。(4)系统进化关系分析表明,SlNAC6转录因子和与胁迫关联的2个转录因子聚集在相同的进化分枝上。SlNAC6基因的启动子上存在多个ABA和胁迫响应元件,并且能够被PEG胁迫和外源施加ABA诱导表达。SlNAC6转录因子在叶组织中高量表达,是一个核定位蛋白。(5)超量表达SlNAC6基因(SlNAC6-OE)株系的叶片气孔导度降低,叶片失水率降低,种子萌发延迟和植株发育迟缓,并且这些指标在SlNAC6基因干扰(SlNAC6-RNAi)株系中也受到不同程度的影响。进一步研究发现,下调或者超量表达SlNAC6基因能够分别降低或者增加ABA合成途径相关基因(NCED1、NCED2和ABA2等基因)的转录,从而影响内源ABA的水平。(6)与WT植株相比,SlNAC6-RNAi植株在PEG胁迫条件下遭受了更严重的损伤,表现为更低的相对含水量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性,以及更高的过氧化氢含量和丙二醛含量,并且多个胁迫相关基因(P5CS、SOD和POD等基因)的表达显著下调。与此相对应,超量表达SlNAC6基因有效提高了番茄植株对PEG胁迫的耐受性,并且这些参数在SlNAC6-OE植株中呈现出相反的变化。这就表明SlNAC6转录因子在番茄植株对抗干旱胁迫过程中发挥积极作用。此外,与WT果实相比,SlNAC6-OE果实成熟提前。综上所述,本论文证实了单个SlMYB75转录因子在培育富含花青素的番茄果实、改善果实成熟过程中部分品质属性和提高采后果实抗病耐贮藏能力方面作用显著,以及SlNAC6转录因子在番茄植株应对干旱胁迫及果实成熟过程中具有重要功能。这些研究结果为明确SlMYB75和SlNAC6转录因子在植物中的功能奠定了基础,同时也为今后通过育种或者基因工程技术改良番茄或者其他茄科作物的品质及农艺性状提供了重要的参考。


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