SlBRI1磷酸化位点Thr-848、Thr-825和Thr-1044对番茄生长发育的影响及调控机理的研究

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番茄是一种重要的蔬菜作物,油菜素甾醇(Brassinosteroids,BRs)作为一种重要的植物生长激素,促进番茄植物生长发育及提高抗逆性。作为BR信号的受体激酶,BRI1(BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1)接收BR信号并通过一系列的磷酸化级联反应传递BR信号,从而调控植物生长发育进程。BRI1磷酸化位点的磷酸化是BR信号转导的必要条件,虽然目前已对番茄SlBRI1个别磷酸化位点进行了研究,然而,研究还很不充分,大量重要的磷酸化位点的生物学功能和农艺学价值还有待研究。本研究以SlBRI1磷酸化位点Thr-848、Thr-825和Thr-1044为研究对象,通过体外自磷酸化水平分析、下胚轴对外源施用激素的敏感性试验及BR信号强度检测、模拟非磷酸化位点转基因植株的植物学性状和农艺学性状调查等复合的研究方法,探究SlBRI1磷酸化位点Thr-848、Thr-825和Thr-1044对SlBRI1激酶活性、番茄BR信号转导、番茄生长发育的影响及其调控机理。获得以下主要的研究结果:(1)SlBRI1的T848位点磷酸化具有负调控激酶磷酸化和活性的作用,模拟非磷酸化的Thr-848-Ala(T848A)突变的SlBRI1转基因番茄的BR信号增强。SlBRI1磷酸化位点Thr-848定点突变成为Ala模拟非磷酸化状态,SlBRI1激酶区在大肠杆菌体外表达检测体外自磷酸化水平,发现磷酸化水平增强。SlBRI1的T848A位点突变基因遗传转化番茄BRI1弱突变体cu3-abs1获得转基因植株,野生型SlBRI1转基因植株和遗传背景材料SlBRI1弱突变体cu3-abs1分别为阳性及阴性对照,检测内源SlBRI1和Sl CPD的m RNA转录水平,结果表明T848A植株和SlBRI1植株的BR信号均比cu3-abs1植株强,恢复了cu3-abs1的BR信号通路,与通过下胚轴对外源激素敏感性试验检测BR信号所得结果一致。(2)磷酸化位点T848非磷酸化的SlBRI1转基因植株并不显著影响番茄植株的植物学特征、果实性状和果实品质,但显著影响番茄后期的花器官发育,产生大量长花柱花。对番茄T848A植株的植物学性状调查结果表明,T848A可以部分恢复弱突变体cu3-abs1的BR缺陷表型,与SlBRI1植株的株高、茎粗、节间距、植株开展度和叶夹角差异不显著。与SlBRI1植株和cu3-abs1相比,T848A植株的第4-5花穗开花数增多,花柱伸长,然而雄蕊无显著增长,产生长花柱花,影响授粉,导致产量降低。同时,T848A植株的果实与SlBRI1植株相比,果实变硬,果皮较薄,但果形指数、单果重及果实品质差异不显著,说明T848A植株果实单果重的差异对产量减少的影响较小。(3)T825磷酸化位点与GA信号互作的独特机制可能有助于借助调控该位点磷酸化提高番茄产量。T825A转基因株系番茄果实增大,产量增加。通过分析表明,其原因是果实发育早期BR信号增强后,调控了果实发育相关基因的表达,同时抑制了Sl DELLA的表达,使GA信号增强,促使细胞分裂和增大,子房壁细胞增大,从而使果实变大。此外,T825A还可促进种子发芽,提高种子活力。(4)SlBRI1的T1044位点模拟磷酸化和非磷酸化均显著降低SlBRI1的磷酸化水平,说明处于激酶活性区的该氨基酸位点十分保守,T1044位点模拟非磷酸化突变的植株部分恢复了cu3-abs1植株的表型,但比SlBRI1植株的BR信号显著减弱。综上研究结果表明,不同的磷酸化位点对于番茄生长发育有其独特的生物学功能、农艺学价值和调控机理。通过磷酸化位点对番茄生长发育影响及调控机理的研究,为创建优良SlBRI1等位基因奠定基础,为番茄分子育种提供依据,也为其它作物的基因改良和农艺性状的分子改良提供参考。
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