拟南芥中一个WRKY转录因子调控乙烯合成与响应的分子机制研究

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乙烯作为一种气体性的植物激素,广泛地参与调节植物生长发育以及对多种生物或非生物胁迫的应答。拟南芥中一共有72个WRKY基因,很多已经被研究报道,通过发挥转录激活或抑制作用,从而参与多种不同的生物学过程。但是,尚有多个AtWRKY基因的功能未见报道。在前期研究中,所在实验室鉴定了一个可能调控乙烯三重反应的AtWRKY转录因子基因,并构建了该基因的基于Ca MV35S启动子的组成型和雌二醇诱导性过表达株系。本文深入探究了这个AtWRKY转录因子如何调控乙烯合成和响应,进而影响拟南芥的生长发育和抗逆过程。所获研究结果如下:1、通过绿色荧光蛋白(Green fluoresent protein,GFP)介导的亚细胞定位试验,表明AtWRKYb定位在细胞核中。启动子-GUS融合的转基因株系进行染色与GUS酶活的定量分析表明,AtWRKYb的启动子活性受1-氨基环丙烷1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylate,ACC)和Na Cl处理显著诱导。2、黑暗条件下,对AtWRKYb的T-DNA插入突变体和诱导型过表达株系进行三重反应表型分析,发现诱导型过表达株系的下胚轴变短,与野生型(Wild-type,WT)相比极显著;加入乙烯前体ACC后,诱导型过表达株系的下胚轴更短,与对照WT相比极显著,且突变体表型相反。3、对AtWRKYb的各个不同基因型的幼苗,分别进行不同的乙烯抑制剂处理,包括氨氧乙基乙烯基甘氨酸(Aminoethoxyvinyl glycine,AVG)、硝酸银(Ag NO3)以及氯化钴(Co Cl2),AtWRKYb的诱导型过表达株系的下胚轴长度得到不同程度的恢复,但与对照株系相比仍有差异。4、对AtWRKYb的诱导型过表达株系用β-雌二醇处理6、12和24 h后,利用实时荧光定量RT-PCR(Real time quantitative RT-PCR,q RT-PCR)技术,筛选其下游靶标基因,包括多个ACC合成酶(1-Aminocyclopropane-1-carboxylate synthase,ACSs)、ACC氧化酶(1-Aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase,ACOs)以及乙烯响应转录因子(Ethylene response factor,ERF)基因,结果发现多个参与乙烯合成和响应的基因的表达水平上升。并且,双荧光素酶报告系统(Dual luciferase report system)也证实这些乙烯合成和响应相关的基因的启动子驱动的LUC的表达能够被AtWRKYb转录激活。5、通过体外凝胶电泳迁移试验(Electrophoretic mobility shift assays,EMSA),表明AtWRKYb可以与5个ACSs、2个ACOs以及2个ERFs的启动子中含W-box的片段直接结合。6、At ERF1和ERF109能激活多个ACSs和ACOs基因的启动子驱动的LUC的表达,因此,WRKYb、ERF1/109、ACS/ACO三者之间可能形成一种三角调控关系或回路,共同调控乙烯合成和信号转导途径。7、双分子荧光互补试验(Bimolecular fluorescence complementation,BiFC)检测了与AtWRKYb可能互作的丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MPKs)蛋白,发现AtWRKYb与MPK1、MPK2、MPK3、MPK4、MPK6、MPK11、MPK13和MPK14互作,且互作信号出现在核内。鉴于乙烯在调控侧根生成中发挥着重要作用,所以对AtWRKYb的各个基因型植株的侧根数量进行了比较分析,发现诱导型过表达株系与对照相比侧根也明显减少,暗示负调控侧根的生成。本研究结果对拟南芥中的WRKYb转录因子基因的功能与调控机制进行了较为深入的探索,表明这这个WRKY转录因子通过调控乙烯合成相关酶基因的表达,在乙烯合成与响应中具有复杂且重要的作用,为深刻理解WRKY家族成员在乙烯响应与逆境应答中的功能提供了新的视野。
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