春兰CgWRKYs基因的克隆及抗逆功能研究

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春兰是中国十大传统名花之一,其花型奇特,花色淡雅,具有极高的观赏价值。春兰在生长发育过程中极易受到非生物胁迫的不良影响,春兰应对非生物胁迫的分子机制仍未阐明。WRKY蛋白是一大类转录因子家族,在响应生物胁迫、非生物胁迫、植物生长和发育中起重要作用。迄今为止,关于春兰WRKY基因家族知之甚少。因此,本研究以春兰‘宋梅’叶片为材料,利用RT-PCR技术,获得6个CgWRKY基因,分别命名为CgWRKY2、CgWRKY3、CgWRKY21、CgWRKY24、CgWRKY53、CgWRKY57,对其进行生物信息学分析;利用实时荧光定量PCR技术探讨6个基因在不同组织及不同胁迫处理下的表达模式,并通过转基因技术将6个基因转入拟南芥中进行功能分析,主要结果如下:(1)CgWRKYs基因的克隆以春兰‘宋梅’叶片为实验材料,提取春兰RNA,通过反转录获得c DNA,进行PCR扩增,从中分离出6个CgWRKY基因。其中,CgWRKY2、CgWRKY3、CgWRKY24基因编码的蛋白含有2个WRKY结构域和1个锌指结构(C2H2),属于WRKY基因家族的Group I。CgWRKY2基因CDS全长为2031bp,可编码676个氨基酸,蛋白分子量为74.05 k D,理论等电点为5.85;CgWRKY3基因CDS全长为1491bp,可编码496个氨基酸,蛋白分子量为53.90 k D,理论等电点为7.37;CgWRKY24基因CDS全长为1050bp,可编码349个氨基酸,蛋白分子量为38.90 k D,理论等电点为8.77。CgWRKY21基因编码的蛋白含有1个WRKY结构域和1个C2H2锌指结构,系统进化树分析表明该基因属于WRKY基因家族Group II的IId亚组。CgWRKY21基因CDS全长为1026bp,可编码341个氨基酸,蛋白分子量为37.63 k D,理论等电点为10.00。CgWRKY53、CgWRKY57基因编码的蛋白含有1个WRKY结构域和1个锌指结构(C2HC),属于WRKY基因家族的Group III。CgWRKY53基因CDS全长为1080bp,编码359个氨基酸,蛋白分子量为39.95 k D,理论等电点为6.15;CgWRKY57基因CDS全长为912bp,编码303个氨基酸,蛋白分子量为33.67 k D,理论等电点为5.23。(2)春兰组织中的表达模式CgWRKY2基因在叶中表达量最高,CgWRKY57基因在根中表达量最高。CgWRKY3、CgWRKY21、CgWRKY24、CgWRKY53四个基因在花中表达量最高,其中,CgWRKY3、CgWRKY53基因在唇瓣中高表达,CgWRKY21基因在花瓣中高表达,CgWRKY24基因在萼片中高表达。(3)不同胁迫下的表达模式CgWRKY2基因受低温和水涝胁迫诱导表达,响应高温和ABA胁迫。CgWRKY3基因受低温胁迫诱导上调表达,高温胁迫抑制表达,响应水涝和ABA胁迫。CgWRKY21基因受低温胁迫诱导上调表达,高温和ABA胁迫抑制表达,响应水涝胁迫。CgWRKY24基因受低温胁迫的强烈诱导表达,响应高温胁迫,水涝胁迫和ABA胁迫。CgWRKY53基因受低温胁迫诱导表达,迅速响应高温胁迫,响应水涝胁迫和ABA胁迫,且在这两种胁迫下表达模式相似。CgWRKY57基因受低温胁迫诱导表达,高温胁迫抑制表达,响应水涝和ABA胁迫。(4)功能分析比较在正常生长条件下过表达植株和野生型拟南芥植株的形态特征,结果发现,过表达CgWRKY2基因植株生长发育迟缓,植株矮化,并伴有叶片枯黄等提前衰老的表型;过表达CgWRKY3基因植株形态差异无明显变化;转CgWRKY21基因植株形态无明显差异;过表达CgWRKY24基因植株有部分明显矮化;过表达CgWRKY53基因植株矮化,叶片缩小,卷曲变形;转CgWRKY57基因植株明显矮化。对转基因植株和野生型拟南芥进行低温胁迫,观察其表型。与WT相比,转CgWRKY2基因植株叶片发黄,无萎蔫现象;转CgWRKY3、CgWRKY53、CgWRKY57基因植株叶片枯黄发干,植株部分枯死;转CgWRKY21、CgWRKY24基因植株部分叶片枯黄,部分叶片仍呈现绿色。由此推测,CgWRKY2基因的过表达可能增强拟南芥耐寒性,而CgWRKY3、CgWRKY21、CgWRKY24、CgWRKY53、CgWRKY57基因的过表达可能降低了植株的耐寒性。分析低温胁迫下转基因植株中冷胁迫和ABA应答相关基因的表达水平,结果表明过表达CgWRKY2基因增强了冷胁迫相关基因的表达,抑制了ABA相关基因的表达;过表达CgWRKY3、CgWRKY21、CgWRKY53、CgWRKY57基因降低了冷胁迫及ABA相关基因的表达水平;过表达CgWRKY24基因抑制了At COR47、At RD29A及ABA应答基因的表达,促进了At COR15A基因的表达。由此推测CgWRKY基因可能通过调控冷信号通路下游功能基因At COR47、At COR15A、At RD29A基因的表达以调控植株对冷胁迫的响应过程,并可能通过ABA信号途径调控冷信号通路。
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