元宝枫对干旱胁迫响应的基因调控解析

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zhangShunsheng2000
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元宝枫(Acer truncatum Bunge)在我国分布广泛,是重要的经济和生态树种,对干旱具有较强的适应能力。木质部作为树木水分运输的关键器官,是研究树木生长、适应干旱胁迫的独特载体。以元宝枫枝条为研究对象,在干旱胁迫下,对其水分生理进行动态监测;通过绘制不同土壤水分下元宝枫叶片的光响应曲线,评估其光合能力;对干旱胁迫下和复水过程中的元宝枫枝条进行转录组测序和基因表达分析,考查转录组水平对干旱胁迫的响应情况,发现类黄酮生物合成代谢途径显著富集。此外,TTG1编码的WD40转录因子是调控类黄酮合成的MYB复合体的重要组成部分,初步探索MYB复合体与类黄酮相关基因的作用机制。主要结果如下:(1)盆栽元宝枫在自然干旱过程中,生理生态指标和光合指标对土壤含水量的响应规律如下:随着土壤含水量的降低,枝条水势和导水损失率PLC下降;在轻微干旱胁迫下,枝条水势和PLC下降缓慢,表观量子效率Φc、内禀量子效率Φ0和水分利用效率WUE上升,而最大净光合速率Pnmax下降;在持续干旱胁迫下,枝条水势和PLC快速下降,光饱和点LSP、Pnmax、Φc、Φ0等光合参数均下降。(2)元宝枫枝条转录组测序结果组装后,共获得70442条Unigene,其中41089条Unigene得到了注释。从KEGG、COG、Nr和Swissprot数据库中得到注释的Unigene分别为13000、18913、38628和32734条,这些数据库共同注释的转录本有9682条,都没有注释的转录本有29353条。(3)对干旱条件下和复水过程中元宝枫枝条的差异表达基因进行分析,结果表明:干旱胁迫下有387条Unigene表达量上调,335条下调;复水过程中有42条Unigene上调,19条下调。对这些差异表达基因进行Pathway显著性富集分析,发现干旱胁迫下和复水过程中显著富集的Pathway分别为10条和5条,其中类黄酮生物合成的Pathway均为最显著富集。(4)元宝枫转录组得到注释的Unigene中,与水分运输及水分响应相关的有66条。无论在干旱胁迫下还是复水过程中,这些基因表达都比较稳定,没有显著差异。与类黄酮生物合成相关的Unigene表达情况如下:干旱胁迫下有8条显著上调,注释为查耳酮合酶(CHS)、花青素合成酶(ANS)、花青素还原酶(ANR)、类黄酮-3’-羟化酶(F3’H);复水过程中有4条Unigene显著上调,注释为ANS、ANR、F3’H。(5)RNA-Seq分析与q RT-PCR鉴定表明:TTG1缺失的ttg1-13幼芽和真叶中,有1个调控基因和10个结构基因与类黄酮积累有关,有9个调控基因和1个结构基因与毛状体诱导有关,有4个调控基因既参与了毛状体的形成又参与了类黄酮的积累,这些基因表达量显著降低。(6)地塞米松处理ttg1-13 35S:TTG1-GR植株,发现处理后可积累类黄酮,形成毛状体;TTG2,TT8,F3’H,DFR,ANS,UGT79B1,UGT75C1,5MAT,BLT,ANL2,PAL4,DMR6,FLS3,GSTF12,MYB5以及MYB23的表达量显著增加,表明以上基因受TTG1调控。(7)地塞米松和环己酮共同处理ttg1-13 35S:TTG1-GR植株,结果显示:TTG2,TT8,F3’H,DFR,ANS,UGT79B1,UGT75C1,5MAT和BLT的表达量显著上调,表明这些基因是依赖TTG1的MBW复合物的直接靶基因。其中,毛状体形成过程中的直接靶基因为调控基因BLT,间接靶基因为调控基因SPL8,ETC1,HDG11,CPC,MYB106,MYB5,SIM,MYB23和结构基因SVB;类黄酮合成过程中的直接靶基因为调控基因TT8和结构基因F3’H,DFR,ANS,UGT79B1,UGT75C1,5MAT,间接调控基因为调控基因ANL2、结构基因PAL4,DMR6,FLS3,GSTF12。(8)对地塞米松处理的ttg1-13 35S:TTG1-GR的幼芽和真叶进行染色质免疫共沉淀分析,结果显示,依赖TTG1的MBW复合物直接与TTG2、TT8、F3’H、DFR、ANS、UGT79B1、UGT75C1、5MAT和BLT启动子区域位点结合,并促进以上基因表达。综上所述,干旱胁迫下,元宝枫枝条中类黄酮生物合成代谢最为活跃,其关键基因被TTG1依赖的WD40转录因子直接调控。我们的研究结果可为元宝枫耐旱机理研究、干旱对次级代谢产物积累影响的研究、树木遗传育种实践等进一步的科学研究提供理论支撑。
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