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作为杨属大型落叶乔木,杨树不仅是优良的木材来源,同时具有防沙固沙、水源涵养及水土保持等重要作用。多肽激素作为细胞间信号传递分子,在植物生长发育过程中发挥着重要的调控作用。本论文以杨树中的CLE(Clavata3/Embryo Surrounding Region-Related,CLE)多肽激素及其受体激酶BAM(Barely Any Meristem,BAM)蛋白和xylogen糖基化多肽激素作为研究对象,利用生物信息学、生物化学、分子生物学及遗传学等研究手段对它们的生物学功能进行鉴定和分析。
CLE多肽激素介导的信号转导途径是植物体内调控顶端分生组织和侧生分生组织中干细胞分裂和分化的重要机制之一。本论文通过序列比对拟南芥和杨树中CLE多肽的CLE基序,挑选了8种具有特殊性氨基酸组成的杨树CLE多肽。经人工化学合成后,进行拟南芥的体外添加实验,对比验证每种CLE多肽的活性及生物学功能。结果表明8种PtCLEp对拟南芥的茎尖和根尖分生组织活性具有显著不同的抑制作用。其中,PtCLE9p、PtCLE17p、PtCLE18p、PtCLE40p和PtCLE49p对拟南芥茎尖和根尖分生组织活性均有明显抑制作用,而PtCLE5p和PtCLE34p主要抑制根尖分生组织活性。
作为植物体内CLE多肽激素最主要的受体,LRR-RLK(Leucine Rich Repeat-Receptor Like Kinase,LRR-RLK)在CLE信号的识别和信号转导过程中承担重要作用。本论文选择其中的BAM蛋白,构建了缺失不同结构域的BAM突变蛋白,并对其进行了生物学功能的鉴定。结果表明缺失信号肽结构域的BAMΔSP蛋白虽然未改变其质膜定位,但在超表达情况下对转基因拟南芥的顶端分生组织产生严重的抑制作用。这一表型与转基因植株顶芽中CLV3的表达量升高和WUS(Wuschel,WUS)的表达下降相关。同时,该表型与转基因植株根中CLE40的表达水平升高及WOX5(Wuschel-Related Homeobox5,WOX5)的表达降低也有直接关系。该部分工作证实:通过构建缺失特定结构域的LRR-RLK蛋白激酶的突变体,可以获得基因被“显性负调控”的转基因植物,为在木本植物中克服家族成员之间的基因功能冗余性提供新的思路。
除了CLE多肽,木质形成素xylogen也是调控植物侧生分生组织活性的一类重要的多肽激素。在本论文中,首先利用生物信息学方法对杨树PtXYLP(Xylogen Like Protein,XYLP)家族各成员的基因组织表达模式进行了分析,表明PtXYLP基因的表达与木质部细胞的分化过程紧密联系。其次通过启动子驱动的异源GUS转基因植株,证明PtXYLP1基因主要在拟南芥子叶叶脉和根中表达。同时,PtXYLP1基因的超表达造成拟南芥子叶叶脉断裂的表型,并显著降低该组织中与维管发育相关的基因的表达量,证明PtXYLP1基因可能在植物早期的维管发育过程中发挥重要功能。
综上所述,本论文通过生物信息学手段、反向遗传学方法、多肽合成及体外添加等实验,对杨树中的CLE多肽激素及其受体激酶BAM蛋白和xylogen糖基化多肽激素进行生物学功能的鉴定及分析。本研究为更加全面地认知木本植物分生组织中精准且复杂的多肽激素调控网络奠定了一定的基础,并为今后进一步深入研究其介导的信号途径提供了理论经验。
CLE多肽激素介导的信号转导途径是植物体内调控顶端分生组织和侧生分生组织中干细胞分裂和分化的重要机制之一。本论文通过序列比对拟南芥和杨树中CLE多肽的CLE基序,挑选了8种具有特殊性氨基酸组成的杨树CLE多肽。经人工化学合成后,进行拟南芥的体外添加实验,对比验证每种CLE多肽的活性及生物学功能。结果表明8种PtCLEp对拟南芥的茎尖和根尖分生组织活性具有显著不同的抑制作用。其中,PtCLE9p、PtCLE17p、PtCLE18p、PtCLE40p和PtCLE49p对拟南芥茎尖和根尖分生组织活性均有明显抑制作用,而PtCLE5p和PtCLE34p主要抑制根尖分生组织活性。
作为植物体内CLE多肽激素最主要的受体,LRR-RLK(Leucine Rich Repeat-Receptor Like Kinase,LRR-RLK)在CLE信号的识别和信号转导过程中承担重要作用。本论文选择其中的BAM蛋白,构建了缺失不同结构域的BAM突变蛋白,并对其进行了生物学功能的鉴定。结果表明缺失信号肽结构域的BAMΔSP蛋白虽然未改变其质膜定位,但在超表达情况下对转基因拟南芥的顶端分生组织产生严重的抑制作用。这一表型与转基因植株顶芽中CLV3的表达量升高和WUS(Wuschel,WUS)的表达下降相关。同时,该表型与转基因植株根中CLE40的表达水平升高及WOX5(Wuschel-Related Homeobox5,WOX5)的表达降低也有直接关系。该部分工作证实:通过构建缺失特定结构域的LRR-RLK蛋白激酶的突变体,可以获得基因被“显性负调控”的转基因植物,为在木本植物中克服家族成员之间的基因功能冗余性提供新的思路。
除了CLE多肽,木质形成素xylogen也是调控植物侧生分生组织活性的一类重要的多肽激素。在本论文中,首先利用生物信息学方法对杨树PtXYLP(Xylogen Like Protein,XYLP)家族各成员的基因组织表达模式进行了分析,表明PtXYLP基因的表达与木质部细胞的分化过程紧密联系。其次通过启动子驱动的异源GUS转基因植株,证明PtXYLP1基因主要在拟南芥子叶叶脉和根中表达。同时,PtXYLP1基因的超表达造成拟南芥子叶叶脉断裂的表型,并显著降低该组织中与维管发育相关的基因的表达量,证明PtXYLP1基因可能在植物早期的维管发育过程中发挥重要功能。
综上所述,本论文通过生物信息学手段、反向遗传学方法、多肽合成及体外添加等实验,对杨树中的CLE多肽激素及其受体激酶BAM蛋白和xylogen糖基化多肽激素进行生物学功能的鉴定及分析。本研究为更加全面地认知木本植物分生组织中精准且复杂的多肽激素调控网络奠定了一定的基础,并为今后进一步深入研究其介导的信号途径提供了理论经验。