苹果核孔蛋白MdNup54/62调控开花和高温胁迫响应功能研究

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富士苹果成花难是制约我国苹果产业发展的关键问题,而近年来随着全球气候变暖,暖冬和极端高温问题突出,进一步阻碍了我国苹果产业的发展,因此加强苹果开花和高温胁迫响应的分子机理研究,以及探索温度影响开花的分子机理尤为重要。研究表明核孔蛋白Nucleoporin(Nups)作为控制蛋白质和RNA等大分子物质进出细胞核的一类蛋白,在植物开花和非生物胁迫等方面发挥重要调控作用。本研究以‘长富2号’为材料,利用生物信息学分析、酵母双杂交、荧光素酶互补、遗传转化等试验技术,研究了苹果MdNup54和MdNup62的序列特征、表达特性、互作蛋白等,以及对MdNup62在苹果开花和高温胁迫响应中的作用机理进行了探讨。主要研究结果如下:(1)对苹果核孔蛋白Nups进行了系统鉴定和表达分析。共获得38个苹果Nups成员,与拟南芥Nups相比,仅缺少成员Nup58。聚类分析表明苹果Nups和对应的拟南芥同源序列聚类距离最近,表明植物Nups保守性良好。苹果Nups蛋白缺乏普遍的保守结构域,各成员间组成Nup62、Nup93和Nup107亚复合体,构成核孔复合物(Nuclear pore complex,NPC)。在组织特异性表达分析中,MdNup54、MdNup62等11个苹果Nups在芽中表达量最高,暗示可能在苹果成花中发挥作用。生长素处理抑制了苹果成花,且MdNup54、MdNup62、MdNup93、MdNup96、MdNup133、MdNup160和MdHOS1在芽中的表达量显著受抑制,表明这7个基因可能参与苹果成花过程。(2)筛选了苹果核孔蛋白MdNup54和MdNup62的互作蛋白。通过酵母双杂交筛选苹果花芽c DNA文库,获得了139个MdNup54潜在互作蛋白和62个MdNup62潜在互作蛋白。酵母双杂交验证发现MdNup54与Md MYB11、Md KNAT4、Md KNAT6、MdHSP70互作;MdNup62与MdHSFA1a/b/c/d、MdHSFA9a/b、MdNup54、MdNup62互作。进一步通过荧光素酶互补实验验证了MdNup62与MdHSFA1d、MdHSFA9b、MdNup54互作,MdNup54与Md MYB11、Md KNAT4、Md KNAT6、MdHSP70互作,pull-down实验验证了MdNup62与MdHSFA9b互作。(3)苹果MdNup62参与植物开花和高温胁迫响应途径。MdNup62在苹果花芽生理分化期具有高表达,且受高温诱导。亚细胞定位结果验证了MdNup62定位在细胞核孔。MdNup62过表达拟南芥株系明显早花,且拟南芥开花基因At FT、At LFY和At AP1表达量明显升高。而高温处理发现MdNup62过表达拟南芥株系显著不耐高温,且相关热激蛋白HSPs(At HSP101、At HSP22.0-ER、At HSP21、At HSP70T-2)表达量显著降低,O2-、H2O2和MDA水平明显升高,而SOD、POD和CAT活性降低;在高温处理下MdNup62过表达番茄株系同样比WT更不耐高温。这些结果表明MdNup62参与植物开花和高温胁迫响应。(4)苹果热休克因子MdHSFA1d和MdHSFA9b参与植物开花和高温胁迫响应途径。荧光定量PCR分析发现在苹果花芽生理分化期MdHSFA1d和MdHSFA9b均具有高表达。亚细胞定位结果表明,MdHSFA1d和MdHSFA9b均定位在细胞质和细胞核。与MdNup62过表达株系一样,MdHSFA1d和MdHSFA9b拟南芥过表达株系均明显促进拟南芥早开花,且拟南芥开花基因At FT、At LFY和At SOC1表达量明显升高;但高温处理下,MdHSFA1d-OE和MdHSFA9b-OE株系显著增强了植株的耐高温性,下游热激蛋白HSPs(At HSP101、At HSP22.0-ER、At HSP21、At HSP70T-2)表达量明显升高。综上所述,苹果MdNup54和MdNup62可以同转录因子和功能蛋白等非核孔蛋白成员直接互作。MdNup62通过与MdHSFA1d、MdHSFA9b互作参与调控植物开花和高温胁迫响应。这些结果丰富了苹果开花和高温胁迫响应的分子机理,为研究温度影响开花的分子机理提供了线索。
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