苹果NF-Y家族成员的鉴定及MdNF-YA8响应盐胁迫的功能研究

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核因子Y(nuclear factor Y,NF-Y)是一类转录因子,广泛存在于真核生物中,又称CCAAT盒结合因子(CCAAT-binding factor,CBF),可特异性的识别和结合靶基因启动子区域CCAAT框,调节下游基因的表达。近年来发现NF-Y在植物生长发育和响应逆境胁迫过程中发挥着重要作用。但有关苹果NF-Y基因家族及其功能的报道目前还比较有限。2019年‘寒富’苹果全基因组测序的完成为分析苹果生物信息学研究提供了高质量基础。本研究从‘寒富’苹果基因组中鉴定得到了11个MdNF-YAs、23个MdNF-YBs和13个MdNF-YCs;并分析了其在不同逆境胁迫下的响应,筛选到了一个在盐胁迫诱导表达明显上调的基因MdNF-YA8;进一步通过异源转化拟南芥和同源转化苹果愈伤组织分析了在植物体内该基因对盐胁迫的耐受性。主要研究结果如下:(1)苹果NF-Y家族成员的鉴定。利用生物信息学技术,从苹果基因组数据库中鉴定到47个NF-Y家族成员,其中包括11个MdNF-YAs、23个MdNF-YBs及13个MdNF-YCs,分布在17条染色体上。保守结构域分析发现,苹果的所有MdNF-YAs成员均含有CBF_NF-YA结构域,而所有的MdNF-YBs及MdNF-YCs亚家族成员均含有CBFD_NFYB_HMF保守结构域。对其保守基序及基因结构分析,发现同一亚家族成员具有相似的保守基序与基因结构。(2)MdNF-Ys启动子区顺式作用元件及胁迫响应分析。对所有MdNF-Ys成员基因上游序列1.5 kb左右的启动子元件进行预测分析,发现大多数MdNF-Ys的启动子区均含有与胁迫响应相关的元件,如干旱、低温脱落酸和乙烯响应元件等。根据启动子元件分析结果选取13个MdNF-Ys,检测其m RNA表达量在不同胁迫条件下的变化情况。发现在NaCl胁迫处理下,7个MdNF-Ys基因在苹果的根中表达上调,其中MdNF-YA8的表达量最高,上调了21倍。在PEG模拟渗透处理后,6个MdNF-Ys基因的表达也明显上调,如MdNF-YA4和MdNF-YB13在根中的上调倍数都超过了20倍。外源ABA处理下,一半以上的MdNF-Ys表达明显上调,其中MdNF-YB13在根中上调超过50倍。这些结果表明,大多数MdNF-Ys的表达受多种非生物胁迫的诱导。(3)苹果MdNF-YA8基因的表达模式分析。MdNF-YA8定位于细胞核中,主要在苹果根、叶、花中表达。将MdNF-YA8基因上游2 kb序列进行克隆,并构建到植物表达载体驱动报告基因GUS的表达,进而转化野生型拟南芥并获得纯合体株系。之后将一周苗龄的转基因幼苗置于NaCl溶液中处理并进行GUS染色,结果表明在盐胁迫处理后,转基因株系中GUS的表达明显增强,进一步说明MdNF-YA8的表达受盐胁迫诱导。(4)重组表达MdNF-YA8提高了酵母细胞的抗盐能力。利用酵母重组表达MdNF-YA8,以转化空质粒为对照,发现在盐胁迫处理下,超表达MdNF-YA8的酵母菌落生长的明显快于对照;同时在NaCl液体培养基中,超表达MdNF-YA8也明显提高了酵母细胞的耐盐性。(5)超表达MdNF-YA8提高了转基因拟南芥植株的耐盐性。利用花序浸染法获得超表达MdNF-YA8的拟南芥株系。盐胁迫条件下,转基因拟南芥(OE)的种子萌发率明显高于野生型(WT),幼苗的根也明显比WT长。对四周苗龄的拟南芥浇灌250 m M NaCl,发现转基因株系长势明显优于WT,且OE株系脯氨酸含量高于WT株系,丙二醛含量低于WT。我们进一步检测了高盐胁迫下WT和OE株系中的过氧化氢和超氧自由基含量,发现OE株系中活性氧含量明显低于WT。此外,在高盐胁迫条件下,转基因拟南芥植株抗氧化酶的活性也均显著高于WT。(6)超表达MdNF-YA8提高了苹果愈伤组织的耐盐性。在正常条件下,WT和OE苹果愈伤组织生长情况基本一致,但在盐胁迫处理后,OE株系愈伤组织体积明显大于WT。对其相对电导率进行分析,发现盐胁迫下OE株系的细胞膜透性低于WT。进一步分析发现,OE株系具有更高的抗氧化酶活性。此外,qRT-PCR结果显示,175 m M NaCl胁迫条件下,SOS途径相关基因(MdSOS1、MdSOS2、MdSOS3、MdNHX1)的表达量均上调。
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