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本论文以传统植物材料——烟草(NicotianatobacumL.)为实验材料,运用分子遗传学和生物技术等研究方法和手段,进行了植物抗逆信号转导途径之中两个关键调控基因的分子生物学功能的研究。
实验以栽培烟草为研究材料,通过文献分析,归纳出10个具有WRKY基因家族结构域的基因,经过引物设计,分别经PCR扩增,获得200-500bp的基因片断,并克隆到TA载体,经序列分析后,再将这些片断分别亚克隆到pHANNIBAL载体,构建成ds-RNA表达载体(RNAi方法)。随后将构建好的ds-RNA基因表达载体亚克隆到带有35S强启动子的pOCA30载体,转入农杆菌。通过农杆菌介导分别将10个WRKY基因ds-RNA表达载体转入烟草叶片细胞,经抗性愈伤组织筛选和植株再生,并经NorthernBlot分子检测,获得转基因株系。然后,比较系统地对转基因植物T1代植株形态变化进行了观察分析,用假单孢菌Pseudomonassyringaepv.tomatostrainDC3000菌株、烟草花叶病毒TMV和爪哇根结线虫(MeloidogynejavanicaChitwood)侵染以及非生物逆境因子处理,分析转基因植株的抗病性和抗逆性。
本研究发现了二个烟草WRKY基因的重要生物学功能。
其中基因WRKY9对线虫处理有积极响应。采用不同的线虫浓度、不同的植株数量、不同的温度进行处理,结果都是:高抑制NtWRKY9基因的转基因植株与对照相比,降低了对线虫的抗病性。线虫侵染的抗性鉴定项目是:根结百分率、腐烂根百分率、地上部分重和根重。结果表现为:根结出现早,根增粗快,根结多,带根结的根比例高,根较早衰老,生物量降低等。
分子检测结果证明该基因主要在根中表达。NtWRKY9转基因植株受到线虫感染以后,无论在叶中或在根中,PR1基因增强了表达量。PR2基因则受影响较小,增强幅度小。烟草抗线虫相关基因Extensin,在线虫感染前和感染后,转基因植株与野生型相比,表达量没有显著变化。
烟草WRKY4基因对SA和TMV处理响应积极。实验中NtWRKY4基因能够被SA诱导,而且被其它非生物逆境因子诱导的表达量低。通过TMV病毒接种,转基因植株对病毒有清楚的响应,形态发生了显著的变化,花叶更重,叶片变形、扭曲,证明NtWRKY4确实与抗病性有关。感染病原细菌P.S.DC3000细菌也同样证明了其与抗病性有关。
TMV病毒在野生型植株中的积累相对迅速地增强,并较迅速地减弱,对叶片形态影响较小,而转基因植株则因为NtWRKY4受到抑制而积累时间长,抗性降低,形态受到严重影响,造成畸形叶,证明NtWRKY4与调控抗病毒过程有关。但TMV并不能诱导NtWRKY4的表达,说明在整个抗病信号传导过程中,NtWRKY4不受TMV的调控。
转基因植株中PR基因在TMV诱导时受到抑制,证明NtWRKY4与PR基因表达有正相关关糸。
抑制NtWRKY4基因,造成烟草的抗干旱性受到影响,说明NtWRKY4还参与非生物逆境的调控过程,是烟草中重要的抗逆性相关基因。
本研究首次证实了烟草WRKY4的抗病性基因功能,为植物抗病基因的研究与利用提供了新的有益资源基因。首次证实WRKY家族基因在根系抗线虫方面的功能,也是烟草中发现的第二个与抗线虫相关的基因,为研究植物抵抗土壤中的病虫害提供了新的资源基因、思路和方法。