荷花关键转录因子NAC35响应盐碱胁迫的调控功能研究

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荷花(Nelumbo nucifera)作为我国传统十大名花之一,在我国的栽培历史悠久,具有极高的观赏价值、经济价值和生态价值。面对盐碱地面积不断扩大的现状,通过生物途径改善环境、培育耐盐碱植物、探寻植物对盐碱环境的抗性机制具有较高的现实意义。NAC转录因子作为植物特有的且数量庞大的一类转录因子家族,在植物生长和抵抗外界环境胁迫中扮演着重要的角色,是提高植物抗逆性的重要候选基因。本研究以耐盐碱荷花品种‘黄帅’为试验材料,克隆得到荷花NnNAC35转录因子基因,并初步探讨了其表达模式和功能,为进一步阐明NnNAC35基因在荷花应对盐碱胁迫的调控机理提供理论基础。主要研究结果如下:(1)从荷花叶片中克隆得到NnNAC35,该基因序列全长894 bp,编码297个氨基酸,具有典型的NAC结构域,属于NAC转录因子超家族,蛋白分子量为34.47 k Da,不存在跨膜结构和信号肽,属于不稳定的亲水蛋白,无规则卷曲结构含量最高,占比56.23%,含有34个磷酸化位点。与拟南芥(Arabidopsis thaliana)中NAC基因家族进行系统进化分析发现,NnNAC35与拟南芥At NAC036基因的同源性较高,与其他物种中的NACs基因进行系统进化分析表明其与君迁子(Diospyros lotus)NAC6基因的亲缘关系较为接近。(2)采用实时荧光定量PCR技术,分析NnNAC35的表达模式,结果表明,正常生长条件下,NnNAC35在荷花根、叶柄、叶、花中均存在表达,且在叶和根中的表达水平较高,具有组织表达特异性;盐碱胁迫处理能够显著诱导NnNAC35基因在叶柄中的表达。(3)构建植物表达载体p C2300-NnNAC35-GFP,以农杆菌介导法侵染烟草(Nicotiana tabacum)叶片,观察其亚细胞定位情况,发现该基因在烟草叶片细胞的细胞核中有荧光信号,表明该基因是一个核定位蛋白。构建p GBKT7-NnNAC35及分段表达载体,经酵母自激活活性验证,NnNAC35属于转录激活子,NnNAC35的全长和C端具有转录自激活活性,而N端不具备激活活性。(4)利用瞬时转化法构建过表达和基因沉默荷花,对其进行梯度混合盐碱胁迫处理,在荷花中对NnNAC35基因功能进行初步验证。在混合盐碱胁迫下,过表达荷花的叶片表现出较明显的黄化,总叶绿素含量显著低于野生型,丙二醛(MDA)含量显著高于野生型,超氧化物歧化酶(SOD)活性和可溶性蛋白含量在高浓度胁迫处理下显著低于野生型;基因沉默荷花的叶绿素含量显著高于野生型,在高浓度胁迫处理下的MDA含量显著低于野生型。说明过表达NnNAC35基因可以从光化学效率、叶绿素含量、抗氧化酶活性等多方面影响转基因荷花对混合盐碱的响应;基因沉默植株的混合盐碱胁迫耐受能力要稍好于过表达基因型荷花,但与野生型荷花的胁迫耐受能力相近。总之,过表达NnNAC35基因可以增加荷花对盐碱处理的敏感性,限制其在盐碱胁迫中的生长发育。(5)利用花序侵染法得到转基因拟南芥,选取4株不同程度过表达NnNAC35基因的阳性株系进行盐碱胁迫下的功能分析验证。在单一盐、碱胁迫下,过表达株系种子萌发率低于WT,根伸长过程受到的抑制作用明显高于WT,但是转基因拟南芥的侧根数量明显增加,说明NnNAC35可能参与调控胁迫下拟南芥侧根生长使其在幼苗期具有一定程度的胁迫耐受能力。在混合盐碱胁迫下,相较于野生型拟南芥,过表达植株的活性氧清除能力和渗透调节能力由于株系过表达程度的不同表现出不同的变化趋势,胁迫相关基因的表达显著下调,说明过表达拟南芥表现出不同程度的盐碱胁迫敏感性。总体而言,转基因拟南芥的盐碱耐受能力可能与过表达NnNAC35基因程度呈现一定的负相关关系。
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