苹果类受体激酶FERONIA在调控耐盐性和ABA敏感性中的功能研究

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植物在生长发育过程中面临许多逆境胁迫。作为固着生物,植物无法通过移动来逃避恶劣的外界环境。但在长期进化过程中,植物进化出一系列受体来准确感知不断变化的外界环境。植物类受体激酶(Receptor-like kinases,RLKs)是定位于细胞质膜上的最大受体家族之一,其胞外结构域的配体结合位点可以通过感知不同的信号分子来激发细胞内一系列的生理生化反应,以应对各种逆境胁迫。在拟南芥中,RLKs有600多个成员,根据胞外结构域可分为不同亚家族,FERONIA(FER)是其亚家族Catharanthus roseus RLK1-like(Cr RLK1L)中研究最广泛且深入的成员之一。FER最初被认为与开花植物的受精过程紧密相关。目前,越来越多的研究表明FER能够参与植物生命活动的诸多过程,包括感知和维持细胞壁完整性、细胞生长、激素信号以及应对生物和非生物胁迫等。目前,关于FER的功能研究在模式植物拟南芥中报道较多。然而,作为一种重要的经济果树,苹果(Malus domestica)中FER同源基因的功能尚未得到深入研究。本研究以‘皇家嘎拉’苹果为研究对象,首先以拟南芥At FER(AT3G51550)为诱饵筛选苹果基因组,最终鉴定出At FER的同源基因,并命名为Md FER(MDP0000390677)。本研究对Md FER进行生物信息学分析、组织表达模式分析、亚细胞定位分析、非生物胁迫以及激素响应分析,并探究Md FER在调控植物耐盐性和脱落酸(Abscisic acid,ABA)敏感性中的功能。具体研究结果如下:1.Md FER基因克隆与生物信息学分析Md FER定位于苹果基因组四号染色体,含有两个外显子一个内含子,利用RT-PCR克隆Md FER全长编码序列2676 bp。其编码891个氨基酸,蛋白质相对分子量为96.9 KDa,等电点为5.93。结构域预测发现Md FER含有malectin-like结构域、跨膜结构域、丝氨酸/苏氨酸激酶结构域。同源多序列比对以及进化树分析发现Md FER与Pb FER(Pyrus×bretschneideri)同源性最高。Md FER启动子区域含有ABA响应元件ABRE element、茉莉酸(Jasmonic acid,JA)响应元件CGTCA-motif element、水杨酸(Salicylic acid,SA)响应元件TCA-element、生长素响应元件TGA-element,以及低温响应元件LTR element、光响应元件G-box和TCT-motif等。2.Md FER表达模式分析以及亚细胞定位分析组织表达模式分析发现Md FER在根、茎、叶、花、果实中均有表达,在根中表达量最高,在果实中表达量最低。Md FER基因表达显著响应ABA和Na Cl处理。亚细胞定位分析发现在本氏烟(Nicotiana benthamiana)中Md FERm定位于细胞质膜。3.Md FER增强苹果‘王林’愈伤组织对盐胁迫的抗性并降低对ABA的敏感性当分别用ABA和Na Cl处理时,Md FER过表达(Md FER-OE)愈伤组织的长势及鲜重均优于野生型,而Md FER基因沉默(Md FER-Anti)的愈伤组织则表现相反的表型。丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量检测发现,Md FER-OE转基因愈伤组织中MDA含量显著低于野生型,而Md FER-Anti转基因愈伤组织中DMA含量显著高于野生型。以上结果表明,过表达Md FER增强愈伤组织对盐胁迫的抗性,降低对ABA的敏感性。4.异位表达Md FER提高拟南芥对盐胁迫的抗性并降低对ABA的敏感性当分别用ABA和Na Cl处理时,Md FER异位表达拟南芥生长势优于野生型,相对电导率和MDA含量显著低于野生型,叶绿素含量显著高于野生型,说明Md FER转基因拟南芥膜氧化伤害以及光系统损害程度显著低于野生型。综上表明,异位表达Md FER降低逆境胁迫对自身细胞的损伤,增强拟南芥对盐胁迫的抗性并降低对ABA的敏感性。5.在盐胁迫和ABA处理下,异位表达Md FER提高抗氧化酶活性降低ROS积累当分别用盐胁迫和ABA处理时,相较于野生型,Md FER异位表达拟南芥叶片中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(Catalase,CAT)酶活力显著提高。二氨基联苯胺(3,3’-diaminobenzidine,DAB)和氮蓝四唑(Nitrobluetetrazolium,NBT)组织化学染色实验发现Md FER异位表达拟南芥叶片中过氧化氢(H2O2)和超氧阴离子(O2-)含量显著降低,与二者含量检测结果一致。说明异位表达Md FER可通过提高抗氧化酶活性降低活性氧积累进而增强植物对盐胁迫的抗性,降低对ABA的敏感性。
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