拟南芥热激转录因子AtHsfA1d的功能研究

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高温胁迫是植物面临的主要非生物胁迫之一,高温胁迫常常会改变植物的形态、生理生化状态,进而对植物的生长发育、代谢繁殖等产生不利影响。因此,植物为了应对高温胁迫已经进化出复杂的机制来抵御高温造成的损伤,热激转录因子(Heat shock transcription factor,HSF)可以调节热激蛋白(Heat shock protein,HSP)等胁迫响应基因的表达,在植物应对高温胁迫的响应中起着至关重要的作用。在拟南芥基因组中,有21个HSF基因,可分为A、B和C三大类。AtHsfA1亚家族,包括AtHsfA1a、AtHsfA1b、AtHsfA1d和AtHsfA1e,是拟南芥诱导热激响应的主要调控因子。本研究首先通过拟南芥AtHsfA1家族成员在酵母hsf1突变体中的互补实验初步证明AtHsfA1d基因的功能与酵母Sc Hsf1基因相似,之后对Col-0、Hsf A1s QK四重突变体和转AtHsfA1d基因的四重突变体拟南芥进行耐热性鉴定,并综合运用AtHsfA1d在野生型Col-0和突变体型cry1-304拟南芥的过表达技术、核蛋白提取和Western blot检测、转基因拟南芥的抗逆性鉴定及染色质免疫共沉淀测序、转录组测序等技术,初步解析了AtHsfA1d基因的功能。主要研究结果如下:(1)将拟南芥AtHsfA1家族基因转入酵母hsf1缺失突变体中,转入AtHsfA1b、AtHsfA1d和AtHsfA1e的酵母突变体可正常生长,而转入AtHsfA1a的酵母突变体无法生长,AtHsfA1b、AtHsfA1d和AtHsfA1e可恢复酵母hsf1缺失突变体的生长。(2)通过对野生型拟南芥Col-0、四重突变体拟南芥Hsf A1s QK和转AtHsfA1d基因的四重突变体拟南芥进行耐热性鉴定表明,45℃热激处理2 h,野生型拟南芥和转AtHsfA1d基因的四重突变体拟南芥均可以存活,而四重突变体无法耐受高温全部死亡。因此,At Hsf1A1d恢复了Hsf A1s QK突变体的耐热性。(3)将Col-0野生型与cry1-304突变体背景下的转AtHsfA1d基因拟南芥在黑暗中培养4 d,然后转入白光培养1 h,提取核蛋白进行Western blot检测发现Col-0/AtHsfA1d-FLAG细胞核内AtHsfA1d蛋白的含量与黑暗时相比有明显增加,而cry1-304/AtHsfA1d-FLAG细胞核内AtHsfA1d蛋白的含量与黑暗时相比差异较小,说明光诱导AtHsfA1的核定位需要At Cry1。通过正常生长情况下转基因拟南芥的核蛋白的Western blot检测发现AtHsfA1d以一种依赖于At Cry1的方式在细胞核中富集,AtHsfA1d的核定位依赖于At Cry1。(4)通过对野生型、a1d突变体和转AtHsfA1d基因拟南芥在盐胁迫和干旱胁迫的抗逆性鉴定,发现a1d突变体植株相比于野生型和转基因植株,生长受阻更严重,长势更小,叶片枯黄,表明a1d突变体拟南芥受到Na Cl和甘露醇胁迫的抑制程度更明显,AtHsfA1d基因缺失后抗逆性降低。(5)通过对拟南芥Col-0与a1d缺失突变体34℃热激条件下的转录组测序分析以及转AtHsfA1d基因拟南芥的染色质免疫共沉淀测序分析共筛选到54个在高温下受热激转录因子AtHsfA1d调控的基因,并对其进行GO和KEGG富集分析表明这些基因主要参与非生物胁迫的响应(温度、光照、活性氧和渗透胁迫等)和内质网蛋白质加工以及一些代谢通路(磷酸肌醇代谢乙醛酸和二羧酸代谢等)。综上所述,AtHsfA1d热激转录因子在拟南芥热激反应中起重要的调控作用,在植物中具有多样化的功能,可能参与到光周期、ABA等信号通路,调控植物对非生物胁迫的响应。
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