菘蓝SPL基因家族分析及IiSPL9和IiSPL15的功能研究

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菘蓝(Isatis indigotica Fort.)是十字花科(Brassicaceae)菘蓝属(Isatis)一年或二年生草本植物,其干燥根与叶入药分别为“板蓝根”和“大青叶”,具有重要的经济与药用价值。近年来,植物SPL转录因子广泛受到关注,其在调控植物生长发育、次生代谢、信号转导及环境胁迫应答等方面发挥重要作用。而菘蓝SPL转录因子功能如何,尚未见报道。本文对菘蓝SPL转录因子家族进行了鉴定和分析,并进一步克隆IiSPL9和IiSPL15,对其开展生物信息学分析、表达模式研究、亚细胞定位和功能探究,获得的主要研究结果如下:(1)基于基因组数据信息,对菘蓝IiSPLs家族进行生物信息学分析,共鉴定出15个IiSPLs,分布于6条染色体上。通过对其理化性质、系统进化关系、基因结构、保守基序及与其它物种的共线性分析,明确了菘蓝IiSPLs基因家族成员的基本特征。进一步对所有基因启动子区顺式作用元件进行预测,发现其含有大量各类激素及逆境响应元件,提示IiSPLs可能参与植物对各类逆境条件的响应。利用q RT-PCR技术对菘蓝不同组织部位和诱导子处理下IiSPLs的表达模式进行研究,结果表明,IiSPL2、IiSPL3、IiSPL4、IiSPL5、IiSPL8、IiSPL9、IiSPL10、IiSPL13和IiSPL15在花与花蕾中均有较高水平的表达,表明这些基因可能在花器官发育中发挥重要功能;而IiSPL1、IiSPL9、IiSPL13、IiSPL14和IiSPL16的表达在Me JA、YE和Ag+处理下发生显著变化,提示相应基因在植物响应生物与非生物胁迫中可能具有重要作用。(2)克隆了IiSPL9和IiSPL15基因(Gen Bank登录号:OM959358、OM959359)。生物信息学分析结果显示:两个基因均含有2个内含子和3个外显子,开放阅读框分别为1113 bp和1071 bp,分别编码370和356个氨基酸。二个蛋白序列相似性高,具高度保守的SBP结构域,二、三级结构预测结果相似,但α-螺旋占比不同,分别为11.35%和17.13%;二者均为亲水蛋白,理化性质相似,存在大量磷酸化位点,定位于细胞核内。系统进化分析结果显示,IiSPL9蛋白与芜菁(Brassica rapa)、欧洲油菜(Brassica napus)、萝卜(Raphanus sativus)的SPL9蛋白亲缘关系较近,而IiSPL15蛋白则与拟南芥(Arabidopsis thaliana)、亚麻荠(Camelina sativa)的亲缘关系较近。(3)分别构建了IiSPL9和IiSPL15的亚细胞定位载体,利用农杆菌瞬时转染洋葱表皮细胞。结果显示,IiSPL9和IiSPL15蛋白均定位于细胞核中。同时,克隆了IiSPL9和IiSPL15基因的启动子序列并构建植物表达载体,异源转化到拟南芥中,以研究两个基因的组织表达特性。结果表明,二者在幼苗期主要在子叶、下胚轴与主根中表达,且在不同组织结合区域表达量极高。植物成熟进入生殖生长阶段后,IiSPL9基因在各部位表达量降低,但IiSPL15在莲座叶、茎生叶、主根以及花中的表达水平仍然较高。(4)成功构建了IiSPL9和IiSPL15的过表达载体,运用花序浸染法异源转化到拟南芥中,各筛选出8个阳性株系。对过表达株系IiSPL9-OE1、IiSPL9-OE4、IiSPL15-OE1和IiSPL15-OE2的表型进行观察,发现IiSPL9-OE1和IiSPL9-OE4株系更早进入生殖生长期,提前开花,且莲座叶密度降低,叶片数量显著减少。结合启动子区顺式作用元件分析结果,选取干旱、盐、弱光3种逆境胁迫条件处理转基因植株,检测其基础生长指标和部分响应逆境胁迫的基因表达情况。结果发现,IiSPL9和IiSPL15参与ROS清除等植物抗逆途径,一定程度上增强了转基因植株对干旱、盐、弱光的耐受性,提高了植物抗性。综上,本研究所获结果进一步丰富了植物SPL基因家族的研究工作,并为提升菘蓝品质,开展菘蓝分子育种研究提供了思路。
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