蜡梅AP2、CBL和CIPK家族全基因组鉴定及CpCBL8功能研究

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当植物受到逆境胁迫时,细胞内Ca2+的浓度会发生变化,CBL作为一种钙依赖型感应蛋白,在感应并结合Ca2+后,其构象发生改变从而被激活,然后结合并激活下游的靶蛋白CIPK,构成CBL-CIPK信号系统使下游产生级联反应来应对逆境胁迫;AP2家族属于AP2/EREBP转录因子超家族,其成员在植物生长发育及响应环境胁迫过程中发挥着重要作用。蜡梅(Chimonanthus praecox)是我国传统名贵花木,也是少有的冬季开花的园林植物,具有极高的观赏价值与经济价值。鉴定蜡梅AP2、CBL和CIPK家族并分析其功能,对蜡梅遗传改良及花期调控具有重要意义。本研究利用本地BLAST和本地HMMER相结合的方法对蜡梅AP2、CBL和CIPK家族成员进行了全基因组鉴定,利用多种生物信息学研究工具对鉴定结果进行分析;筛选低温打破蜡梅花芽休眠并使其膨大开放的转录组数据库中AP2、CBL和CIPK家族成员表达量数据,分析其在花发育过程中的表达模式;对转录组数据库中表达模式变化显著的Cp CBL8和Cp CIPK9基因进行重点研究,分析其表达特性;对露地栽培蜡梅花芽喷施Ca Cl2溶液,探究外源Ca2+对蜡梅花期的影响及Cp CBL8和Cp CIPK9表达量变化;Cp CBL8异源表达拟南芥,分析35S::Cp CBL8/拟南芥株系表型及抗逆性变化,并探究产生相应变化的分子机制。主要研究结果如下:(1)共鉴定出20个Cp AP2s,9个Cp CBLs和22个Cp CIPKs;基因结构分析表明,Cp AP2s内含子数为6~8,Cp CBLs内含子数为7~11,而Cp CIPKs可被分为少内含子组(内含子数0~3)和多内含子组(内含子数11~14);启动子序列分析表明3个家族均具有响应激素及胁迫的顺式作用元件,部分Cp AP2s和Cp CIPKs还具有参与植物生长发育的顺式作用元件;蛋白互作预测分析表明每个Cp CBL都有多个靶Cp CIPKs;GO(Gene ontology)富集预测分析表明Cp CBLs和Cp CIPKs主要参与离子结合、信号转导及胁迫响应;共线性分析表明共有17个Cp AP2s、6个Cp CBLs和6个Cp CIPKs分别形成26、7和4对复制基因,它们均为全基因组复制或片段复制,并在进化上受纯化选择。(2)转录组数据分析表明,多数Cp AP2家族成员只在花被片、雌/雄蕊原基形成阶段(FB.Apr/May)高表达,在蜡梅花芽需冷量(Chilling requirement,CR)积累过程中低表达;在蜡梅花芽CR积累前期(FB.Nov),Cp AP2-11、Cp CBL2/5/6/8/9、Cp CIPK2/5/6/13/16/20表达量较高,但随着花芽CR积累达到570 CU(Chill units,CU),即始花期花芽(IB570),它们的表达量均出现了不同程度的下降;Cp CBL1/7、Cp CIPK3/8/9/10/11/14/17在FB.Nov中表达量较低,在CR积累的过程中表达量升高,但在IB570中表达量同样出现下降,推测以上基因在蜡梅花蕾感受低温打破休眠并膨大开放过程中起负向调节作用。Cp AP2-17、Cp CBL3/4、Cp CIPK1/4/19/22在IB570表达量升高,推测它们可能在蜡梅花蕾膨大开放过程中起正向调节作用。FB150-FB300-FB450-IB570趋势分析表明Cp CBL8和Cp CIPK9在CR≤450 CU的花芽FB150/300/450中表达无显著差异,而在CR=570 CU的花芽IB570中显著下调表达,同时,韦恩图分析表明Cp CBL8和Cp CIPK9在IB570与在其他样品(FB.Nov,FB150/300/450,n F16)中的表达量两两比较均具有显著差异。火焰分光光度计测定不同样品Ca2+含量发现,自然条件下始花期花芽(IB)或人工低温诱导下始花期花芽(IB570)样品中Ca2+含量分别显著低于相应条件下的其他样品,且Cp CBL8和Cp CIPK9的表达量与Ca2+含量具有相关性。(3)外源Ca2+(Ca Cl2)处理蜡梅花芽后发现,与对照组相比,30或50 m M Ca2+处理使蜡梅花芽开放时间显著推迟,同时,所有处理及对照组花芽Cp CBL8在始花期的表达量均极显著低于破膜期。在始花期,30和50 m M Ca2+处理过的花芽Cp CBL8和Cp CIPK9的表达量显著高于对照组及10和20 m M Ca2+处理,推测Cp CBL8和Cp CIPK9可能参与负向调控蜡梅花发育。(4)表达特性分析发现,Cp CBL8在蜡梅的叶中表达量最高,其次是芽,在花中的表达量最低;在花的不同部位,中/内花被片中Cp CBL8的表达量显著高于外花被片、雄蕊和雌蕊。Cp CIPK9在花及花的不同部位中的表达量均显著高于根、茎、叶及果中的表达量。对12叶期实生苗蜡梅进行非生物胁迫及外源激素诱导,发现除Cp CBL8不受高温诱导外,Cp CBL8和Cp CIPK9在低温、干旱、盐、脱落酸及茉莉酸甲酯诱导下均出现上调表达,同时Cp CIPK9在高温和水杨酸诱导下也上调表达。亚细胞定位实验表明Cp CBL8定位在质膜和细胞核,Cp CIPK9定位在质膜、细胞质和细胞核;酵母双杂交实验表明Cp CBL8和Cp CIPK9均不具有转录自激活活性,且二者够特异性互作。(5)将构建好的35S::Cp CBL8-2301G表达载体转化拟南芥植株Col-0获得过表达株系。对筛选出的纯合T2代过表达拟南芥进行表型观察发现,与WT相比,过表达株系花期显著推迟,莲座叶数量显著增多,叶面积显著增大,花序显著增高,并且Cp CBL8表达量越高,表型变化越显著。测定花发育相关内源基因表达量,结果表明,与WT相比,过表达株系SOC1、AP1和LFY表达量显著下调。(6)把35S::Cp CBL8/拟南芥各株系播种在模拟盐和干旱胁迫的MS培养基中发现,与WT相比,过表达株系种子萌发率更高,幼苗的根更长;盐和干旱胁迫实验表明,与WT相比,过表达株系萎蔫程度更低,超氧化物歧化酶活性、相对含水量、叶绿素及脯氨酸含量更高,但气孔导度更小,丙二醛含量和活性氧积累更少,电解质渗漏率更低,而低温胁迫下各项生理指标测定结果完全相反。(7)-5℃低温胁迫35S::Cp CBL8/拟南芥1 h,结果表明与WT相比,过表达株系最大光化学效率(Fv/Fm)和电子传递量子速率(ΦPSⅡ)更低。测定低温响应通路内源基因表达量,结果表明与WT相比,过表达株系CRPK1和14-3-3λ表达量显著上调,CBF1/2/3、COR15A/15B/47表达量显著下调。综上,蜡梅基因组编码20个Cp AP2s,9Cp CBLs和22个Cp CIPKs基因。Cp CBL8是盐和干旱胁迫响应的正向调节因子,是提高蜡梅耐盐和耐旱能力的潜在基因,Cp CBL8-Cp CIPK9信号系统可能参与负向调控蜡梅花发育。蜡梅Cp CBL8异源表达拟南芥可增强过表达拟南芥的耐盐和耐旱能力,但使其对低温胁迫不耐受,并具有抑制花发育的作用。可以通过喷施Ca Cl2的方式诱导Cp CBL8表达,进而达到调控蜡梅花期的目的。
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