巨龙竹再生体系构建及DsEXLA2基因克隆鉴定

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竹子生长快、成材早、适应性强、产量高、易栽种、分布范围广、易加工,是极具潜力的可再生生物质资源。由于没有形成层、富含次生代谢物,竹类植物的再生体系建立是植物学研究当中的难点,目前仅有少量的竹种建立了完整的再生体系,导致其遗传改良受到极大的限制。巨龙竹(Dendrocalamus sinicus)是世界上最高大的竹种,生长极其迅速,是我国南部热区丛生竹的典型代表。Expansin作为一种细胞壁松弛蛋白,在调控植物种子萌发、根系建成、叶片发育、茎与节的伸长、气孔运动、花的发育、果实发育与成熟中起着关键作用。然而expansin基因在巨龙竹茎秆快速生长中的功能尚不明确。依据前期转录组数据发现expansin-like A2(EXLA2)基因在不同节间显著差异表达,本文利用组织培养构建了巨龙竹再生体系,另外通过RACE基因克隆、过表达与RNA干扰载体遗传转化拟南芥等方法对DsEXLA2基因序列、时空表达模式、亚细胞定位和转基因拟南芥等进行研究。主要得到以下结果:1.以巨龙竹下胚轴为外植体,构建了一个高效的巨龙竹愈伤组织诱导和植株再生体系。Box-Behnken模型显示,6-BA、柠檬酸和2,4-D对愈伤组织诱导率的影响逐渐减小,其最佳浓度分别为2.10 mg/L、420 mg/L和3.10 mg/L。在此条件下,预测的愈伤组织诱导率高达89.06%,本试验验证的愈伤组织诱导率为88.87%。愈伤组织诱导率最高的培养基配方为:MS+30 g/L蔗糖+6 g/L琼脂+500 mg/L水解酪蛋白(CH)+500 mg/L脯氨酸(Pro)+500 mg/L谷氨酰胺(Gln)+2.10 mg/L 6-BA+420 mg/L柠檬酸+3.10 mg/L 2,4-D。不同褐变抑制剂柠檬酸、抗坏血酸和活性炭的比较结果表明,400 mg/L柠檬酸对愈伤组织褐变的抑制效果最好。愈伤组织经过进一步分化、生根,生根率和移栽苗成活率分别达到91%和93%。2.通过RACE方法从巨龙竹茎中克隆了EXLA2基因全长,根据同源比对结果,将其命名为DsEXLA2。该基因c DNA、g DNA序列全长分别为1025 bp和1746 bp,编码276个氨基酸,相对分子质量为29.62 k Da,是稳定的疏水性蛋白,包含一个信号肽和一个跨膜区。DsEXLA2基因含有2个保守结构域DPBB_1和Pollen_allerg_1,且CDRC基序、半胱氨酸和色氨酸在不同物种之间高度保守。该基因在进化上保守,含有5个外显子,4个内含子,与禾本科植物水稻、谷子、黍等亲缘关系较近。3.DsEXLA2在巨龙竹不同节间和不同组织中的表达水平分析显示,该基因从当年生茎秆节间顶部到节间基部表达量总体呈升高趋势。选取种子、幼苗期的根、茎、叶以及两年生植株的茎和叶进行基因表达分析,发现DsEXLA2基因在种子中表达量最高,而在两年生植株的叶中最低,基因表达量依次是种子>幼苗的叶>幼苗的茎>幼苗的根>两年生植株的茎>两年生植株的叶。亚细胞定位结果显示DsEXLA2蛋白定位于细胞壁上。4.构建了DsEXLA2的过表达载体p CAMBIA1301-35S-NOS-DsEXLA2和RNA干扰载体p TCK303-DsEXLA2,通过农杆菌介导转化拟南芥,经PCR和q RT-PCR鉴定,分别筛选得到9个过表达株系和5个干扰株系,并获得T3代纯合子。5.DsEXLA2过表达转基因植株与野生型相比,株高增加,茎秆变粗,叶片增大,表皮毛数量增多,气孔变大,表明DsEXLA2基因可以促进茎和叶片的生长发育。此外,DsEXLA2过表达转基因植株茎中纤维素含量相较于野生型增多,同时石蜡切片显示,DsEXLA2过表达转基因植株细胞壁明显增厚,表明DsEXLA2基因参与了细胞壁相关的生长发育调控过程。本研究通过对愈伤组织诱导、分化、生根、褐变抑制剂的全面优化,首次构建了稳定高效的巨龙竹再生体系。另外,克隆了DsEXLA2基因,并在拟南芥中开展了遗传转化研究,研究结果有助于揭示DsEXLA2在巨龙竹茎秆生长发育过程中的作用机制,促进这一重要竹种的优异性状挖掘和利用,将为其它竹类资源的分子育种提供参考。
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