中国野生毛葡萄转录因子WRKY及bZIP表达与调控抗病研究

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葡萄是世界性果树,其果实用于鲜食、酿酒、制汁以及制干,具有巨大的经济价值。葡萄中的白藜芦醇作为葡萄中重要的植保素,不仅可以促进植物抗各种生物与非生物胁迫,而且在人体中可以发挥抗癌、抗氧化、保护心血管等功能。中国野生毛葡萄丹凤-2(Vitis quinquangularis accession Danfeng-2)抗病性强,白藜芦醇含量高。本研究以中国野生毛葡萄丹凤-2为材料,筛选调控芪合成酶(Stilbene synthase,STS)基因表达的WRKY及bZIP转录因子。分析转录因子的基因结构,表达模式及对STS基因的调控方式。揭示中国野生毛葡萄丹凤-2携带的转录因子基因具有调控STS基因表达与促进植物抗病的作用,为今后利用这个特异野生葡萄资源进行抗病育种提供理论依据。取得主要结果如下:1、利用qRT-PCR研究了中国野生毛葡萄丹凤-2在接种白粉菌条件下,59个WRKY转录因子成员的表达差异。其中有19个WRKY成员包括VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY6,VqWRKY7,VqWRKY10,VqWRKY18,VqWRKY21,VqWRKY23,VqWRKY26,VqWRKY27,VqWRKY28,VqWRKY29,VqWRKY30,VqWRKY31,VqWRKY32,VqWRKY48,VqWRKY49,VqWRKY52,VqWRKY53在白粉菌诱导下上调表达。利用同源克隆的方法,在丹凤-2中克隆得到VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY24和VqWRKY53的编码序列,分别为1779bp,570bp,780bp,582bp和456bp。NCBI登录号分别为:VqWRKY2(MN240478),VqWRKY3(MN240479),VqWRKY9(MN240480),VqWRKY24(MN240481),VqWRKY53(MN240482)。VqWRKY2属于WRKY转录因子家族的groupⅡb亚家族,VqWRKY3,VqWRKY24和VqWRKY53属于groupⅡc亚家族,VqWRKY9属于groupⅡa亚家族。同时,克隆得到VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY24和VqWRKY53的启动子序列并进行元件分析。通过PEG介导转化拟南芥原生质体进行亚细胞定位分析,结果表明VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY24和VqWRKY53均定位于细胞核内。2、在接种葡萄白粉菌和外源处理flg22,H2O2,CaCl2情况下,利用qRT-PCR分析WRKY转录因子以及STS基因的表达模式。结果表明,在白粉菌接种后VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY53和STS基因表达量升高,而VqWRKY9和VqWRKY24下调表达。在flg22处理下,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY53和STS基因受flg22诱导表达量显著提高。在H2O2处理下,VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY24,VqWRKY53和STS表达量都显著提高。在CaCl2处理下,仅有VqWRKY53与STS表达量上调。VqWRKY3,VqWRKY9以及VqWRKY53对flg22的响应需要经由活性氧爆发和MAPK级联途径。3、对中国野生毛葡萄丹凤-2的叶片进行外源激素SA,ABA,Eth和MeJA处理。利用qRT-PCR,分析WRKY转录因子以及STS基因对激素信号的响应模式。结果表明,VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY53以及STS在SA,ABA,Eth和MeJA的诱导下上调表达。VqWRKY9在SA,ABA以及MeJA的诱导下表达量提高。VqWRKY24在SA的诱导下表达量上调。4、通过酵母双杂交和双分子荧光互补实验证明VqWRKY3与VqMYB14蛋白互作,VqWRKY53和VqMYB14,VqMYB15两个转录因子分别互作。以丹凤-2的gDNA为模版,克隆得到VqSTS9,VqSTS16,VqSTS32,VqSTS41和VqSTS48的启动子,序列分析表明这5条STS启动子序列均包含WRKY和MYB转录因子结合位点。酵母单杂交实验证明,VqWRKY2可以结合VqSTS9,VqSTS32,VqSTS41和VqSTS48的启动子。VqWRKY3可以结合VqSTS16和VqSTS48的启动子。VqWRKY9和VqWRKY24可以结合VqSTS9,VqSTS16,VqSTS41和VqSTS48的启动子。VqWRKY53可以结合VqSTS9,VqSTS16和VqSTS41的启动子。5个WRKY转录因子均可以结合TTGACC元件,而只有VqWRKY9和VqWRKY53可以结合TTGACT元件。5、利用GUS活性定量实验进一步验证WRKY转录因子对STS启动子的影响。结果表明,VqWRKY2、VqWRKY9分别可以上调VqSTS9,VqSTS16,VqSTS32,VqSTS41和VqSTS48启动子活性。VqWRKY3可以上调VqSTS32和VqSTS48启动子活性。VqWRKY24可以上调VqSTS16,VqSTS32,VqSTS41和VqSTS48启动子活性。VqWRKY53可以上调VqSTS9,VqSTS16,VqSTS32,VqSTS41启动子活性。共表达VqWRKY3与VqMYB14可以上调VqSTS9,VqSTS16,VqSTS32和VqSTS41启动子活性。但是相对于单独转化VqWRKY3,共表达VqWRKY3与VqMYB14降低了对VqSTS48的启动子活性。共表达VqWRKY53与VqMYB14或VqMYB15可以在不同程度上调STS启动子活性。在丹凤-2的叶片中瞬时过量表达WRKY转录因子,STS基因的表达量提高。利用高效液相色谱对芪类物质的含量进行测定,发现过量表达WRKY转录因子提高反式白藜芦醇及反式云杉新苷的含量。异源过量表达VqWRKY2可以经由JA途径提高拟南芥对丁香假单胞杆菌的抗性。异源过量表达VqWRKY53可以引起AtSAG12表达量升高,活性氧积累,SA含量升高,促进叶片衰老。过量表达VqWRKY5还可以经由SA途径增强拟南芥对丁香假单胞杆菌的抗性。6、利用同源克隆的方法,从丹凤-2中克隆得到VqbZIP1。VqbZIP1的编码序列全长为900bp,编码299个氨基酸。GenBank登录号为:AXN75965.1。qRT-PCR结果表明,VqbZIP1在葡萄的各个组织器官中均有表达,其表达量在成熟果实中最高。VqbZIP1对ABA,Eth和MeJA的响应较为显著。VqbZIP1同样响应白粉菌诱导以及CaCl2和H2O2小分子信号。亚细胞定位和酵母转录激活实验证明,VqbZIP1定位于细胞核并且在酵母中具有转录激活活性。通过酵母双杂交与双分子荧光互补实验证明VqbZIP1与ABA信号通路上的核心元件VqSnRK2.4和VqSnRK2.6互作。序列分析表明VqSnRK2.4和VqSnRK2.6基因分别位于7号和3号染色体上,分别与拟南芥中的AtSnRK2.4和AtSnRK2.6同源性最高。亚细胞定位表明,VqSnRK2.4和VqSnRK2.6在细胞质,细胞核以及细胞膜上都有存在。在ABA激素诱导下,VqSTS6,VqSTS16,VqSTS20,VqSnRK2.4和VqSnRK2.6都出现不同程度的上调表达。以丹凤-2的gDNA为模版,克隆VqSTS6,VqSTS16,VqSTS20的启动子序列,对其进行顺式作用元件分析,3条启动子序列均含有响应ABA信号的ABRE顺式作用元件。将启动子构建到pC0380-GUS载体,GUS活性定量实验表明,VqbZIP1可以激活VqSTS6,VqSTS16,VqSTS20的启动子活性。相对于单转VqbZIP1,共表达VqbZIP1与互作基因VqSnRK2.4和VqSnRK2.6可以更大幅度的激活STS启动子活性。在丹凤-2的叶片中过量表达VqbZIP1,通过qRT-PCR和HPLC实验证明过量表达VqbZIP1可以上调STS基因表达总量以及VqSTS6,VqSTS16,VqSTS20的表达量,引起白藜芦醇与云杉新苷的含量增高。异源过量表达VqbZIP1可以增加拟南芥对ABA的敏感性,上调ABA信号通路的关键基因。综上所述,中国野生毛葡萄转录因子VqWRKY2,VqWRKY3,VqWRKY9,VqWRKY24和VqWRKY53以及VqbZIP1参与正向调控芪合成酶基因的表达,促进植物的抗病性。
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