盐穗木转录因子HcSCL13启动子活性及盐响应调控机制的初探

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作为固着生物,植物在其整个生活史中面临多种环境压力。其中,盐分是显著影响植物生长及产量的不良环境因素之一。GRAS作为植物特有的转录因子,在植物的生长发育和非生物胁迫中发挥重要作用。当植物暴露于高盐环境下,细胞质膜上的受体感知信号,继而通过胞内信号转导在启动子水平对GRAS等转录因子进行调节,从而调控下游基因以应对盐刺激。前期研究发现属GRAS家族PAT1分支的盐穗木转录因子HcSCL13调节了转基因拟南芥的生长和抗盐性。为明确该转录因子发挥生物学功能的转录调控机制,本研究通过组织化学染色和GUS酶活性检测对盐穗木HcSCL13基因启动子PHcSCL13在植物不同发育阶段、不同非生物胁迫(盐、低温、干旱、损伤和光照)及不同长度截断删除启动子的启动活性及盐响应的关键区域进行分析。具体结果如下:(1)采用GUS组织化学染色对转HcSCL13启动子拟南芥萌发种苗(1 d、3 d、5 d、10 d、12 d和15 d)及成苗(55 d)进行活性分析,结果显示:转HcSCL13启动子纯系拟南芥无论在种苗还是成苗阶段均显示出较强的GUS活性,其中种苗的子叶和根中活性最强;此外,在拟南芥成苗的根、茎、叶、花和角果等各个组织器官中也显示出一定的活性。以上结果表明,盐穗木HcSCL13启动子可调节下游基因在植物整个发育阶段的表达,尤其能够显著调节植物种苗期在子叶和根中的表达。(2)生物信息学分析显示HcSCL13启动子具有一些与盐、低温、干旱和光等胁迫相关的顺式作用元件,因而我们对该启动子偶联GUS报告基因的拟南芥进行了上述逆境胁迫下的组织化学染色和酶活分析。结果显示:300 mM NaCl胁迫3 d后转HcSCL13启动子拟南芥的GUS酶活性显著高于对照组;低温和干旱胁迫处理不同时间后,HcSCL13启动子活性未出现明显变化;叶片、叶柄及花茎处在受到机械损伤后GUS活性显著提高;净光照处理下,不同萌发天数的拟南芥下胚轴无GUS活性;而净黑暗(除萌发第1 d)及16 h光照/8 h黑暗光周期处理条件下,下胚轴均显示出一定的GUS活性,且16 h光照/8 h黑暗光周期下下胚轴中的GUS活性最强;将黑暗条件下萌发5 d的拟南芥种苗移至净光照条件下培养2 d,本无GUS活性的下胚轴呈现出了一定的GUS活性;子叶与胚轴具有类似的光响应调节模式。萌发1 d的胚根,在16 h光照/8 h黑暗光周期下活性最强,净黑暗条件下活性最弱;萌发第3 d、5 d和10 d,净光照下的整个根部都有较强烈的GUS基因表达,净黑暗下胚根的根冠部GUS基因表达明显强于分生区、伸长区和成熟区,而16 h光照/8 h黑暗光周期条件下整个根部的GUS基因表达较为均匀,无明显差异,但在种子萌发后第10 d整个根部的GUS基因表达明显增加。该结果表明盐穗木PHcSCL13是一个能够响应盐和损伤胁迫,且受光周期调节的启动子。(3)为探究影响启动子活性及盐响应的关键区域,基于盐穗木HcSCL13启动子PHcSCL13的生物信息学分析,将该启动子截断删除为5个不同长度的片段:SP1(-1730 bp)截断删除的片段含有厌氧诱导(ARE)与防御和应急反应(TC-rich repeats)相关顺式作用元件;SP2(-1450 bp)截断删除的片段含有厌氧诱导(ARE)与防御和应急反应(TC-rich repeats)相关顺式作用元件;SP3(-1120 bp)截断删除的片段含有盐响应相关元件(CACG);SP4(-720 bp)截断删除的片段含有真菌引发子元件(Box-W1);SP5(-239bp)截断删除的片段含有盐响应相关(GAAAAA)与防御和应激反应的顺式元件(TC-rich repeats)。将截断删除启动子序列构建至含有GUS基因的植物表达载体pBI121上,瞬时注射本氏烟草叶片黑暗处理12 h后使用300 mM NaCl处理植株24 h,随后进行烟草叶片的GUS组织化学染色和GUS酶活性分析。结果发现正常条件下不同长度的启动子片段均能启动GUS基因的表达,但GUS基因表达水平有明显差异。注射全长启动子SP与截断删除的SP1和SP2启动子烟草叶片染色程度基本一致,GUS酶活性无显著差异,而注射截断删除的SP3和SP4启动子片段烟草叶片GUS酶活性显著降低,但截断删除的SP5启动子片段却显著增强了烟草叶片的GUS酶活性,推测在截断删除的SP2和SP3启动子片段之间可能含有决定启动子活性的关键顺式作用元件,截断删除的SP4和SP5启动子片段之间之间可能存在增强启动子活性的元件,SP3和SP5截断删除的序列中含有影响启动子活性的元件。300 mM NaCl胁迫处理下,全长启动子SP能够积极响应盐胁迫,GUS酶活性显著升高;注射截断删除的SP1、SP2、SP3和SP4启动子烟草叶片的GUS酶活性在盐胁迫处理后无明显变化,而截断删除的SP5在盐胁迫后GUS酶活性显著降低,以上结果提示盐穗木HcSCL13启动子能够积极响应盐胁迫,SP5(-239 bp)截断删除的片段含有盐相关的负反馈调节元件。综上所述,盐穗木HcSCL13启动子PHcSCL13能够显著调节植物子叶和根生长发育,且是一个受光周期调节,能够响应盐、损伤等非生物胁迫的启动子。
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