盐胁迫下菊花根转录组分析及DgMBF1和DgJAZ1基因的克隆与功能鉴定

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菊花(Chrysanthemum grandiflorum Ramat.)是一种因观赏价值和经济价值较高而被广泛种植的观赏植物,但菊花在生产中常常受到盐、碱、干旱、低温等环境的影响,导致其产量降低。高盐会导致菊花的叶片黄化,抑制植株的生长,甚至导致植株死亡。其中转录辅激活因子MBF1和转录因子TIFY蛋白家族在植物的整个生长发育进程以及抵抗多种生物或非生物胁迫中扮演重要角色。此次研究以?神马?菊花为实验材料,采用Illumina HiSeq和单分子测序(SMRT)相结合的技术对菊花根部进行转录组数据的联合分析,从差异表达基因中筛选得出1个转录辅激活因子MBF1基因和1个TIFY转录因子家族JAZ基因并分别遗传转化?神马?菊花,进一步探讨菊花的耐盐分子机制。主要研究结果如下:1.本次研究首次联合Illumina HiSeq和SMRT测序技术对盐胁迫下菊花根部进行转录组测序的分析。基于联合测序技术下得出的全长转录组数据库中共含有550,823条高质量的Unigene,其中大于3kbp的有52,120条。而仅用Illumina HiSeq测序组装后只有19,464条Unigene大于2kbp,联合测序显著提高了全长转录本的鉴定效率。设定阈值为P<0.05和|log2FC|>3,得出48,396个差异表达基因,从中进行盐胁迫响应基因的筛选,并发现大量涉及离子转运、膜稳定性、活性氧清除、渗透调节、信号转导等方面的盐响应基因。2.从联合测序获得的菊花全长转录组数据库中筛选得出1条MBF1基因序列和1条JAZ基因序列,设计引物并克隆得到基因的编码区,分别命名为DgMBF1和DgJAZ1。通过生物信息学分析得知两个基因的开放阅读框(ORF)的片段长度分别为438bp和594bp,分别编码153和197个氨基酸,其中DgMBF1含有1个MBF1结构域和一个螺旋-转角-螺旋(HTH)结构域,确定该基因为MBF1家族中MBF1c的成员并与青蒿素(Artemisia annua)中的MBF1c拥有较高的相似性,推测它们具有较近的亲缘关系。DgJAZ1含有1个TIFY结构域和1个Jas结构域,确定该基因为TIFY转录因子家族中的JAZ蛋白并与青蒿素(Artemisia annua)中的JAZ基因具有较高的相似性。3.进行植物表达载体的构建,通过农杆菌介导转化的方法将DgMBF1和DgJAZ1转入菊花,DNA阳性检测结果均表明目的基因已整合进入?神马?菊花,成功获得转DgMBF1和DgJAZ1基因的转基因植株,并通过荧光定量试验检测两个基因在菊花中的表达水平。4.选取DgMBF1转基因植株OE-3和OE-34株系,DgJAZ1转基因植株OE-7和OE-31株系以及野生型菊花(WT)进行盐胁迫实验,观察盐胁迫对其表型和存活率的影响。未施加胁迫的情况下,转基因植株在表型上与野生型植株没有明显差别。盐胁迫下,与转DgMBF1基因株系相比,野生型植株的叶片有明显的枯萎和泛黄,且OE-3和OE-34的存活率分别为78.65%和80.92%,而野生型菊花仅为32.13%。但转DgJAZ1基因株系相较于野生型却较早地出现发黄和枯萎,OE-7和OE-31的存活率仅为18.65%和20.92%。5.在盐胁迫下,转DgMBF1基因菊花中的过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性、脯氨酸含量和可溶性糖含量均显著高于野生型;相比野生型,超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)的含量在转基因菊花中更低且转基因菊花的根长和鲜重均优于野生型。而转DgJAZ1基因菊花中测得的各指标情况与之完全相反,均低于野生型。6.为了研究转基因株系对盐胁迫的分子调控机制,我们通过实时荧光定量PCR(qRT-PCR)测定了6个胁迫相关基因的相对表达量。在转基因和野生型菊花中这些盐响应相关基因(DgCuZnSOD,DgAPX,DgCAT,DgP5CS,Dg6GDPH和DgMDH)的表达均出现不同幅度的上调。结果表明,联合测序显著提高了转录组数据库的准确性和多样性,为培育耐盐新品种提供了更有效的基因储备。经过对两个转录因子进行功能验证,发现转DgMBF1基因菊花比野生型菊花更具有耐盐性,DgMBF1基因能通过增加渗透调节物质的含量,调节活性氧清除酶的活性以及相关胁迫应答基因的表达来增强菊花的耐盐性。而DgJAZ1基因无法很好地调控相应物质来积极响应高盐胁迫,反而增加了菊花对盐胁迫的敏感性,降低了菊花的耐盐性。
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