胡杨PeJAZ2介导ABA信号调控杨树抗旱性的机制研究

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全球水资源的匮乏限制了植物的生长,给林木经济带来了巨大损失。胡杨是干旱沙漠地区唯一可以成林的乔木树种,为了探究胡杨响应干旱胁迫的分子机制,对课题组前期在胡杨中克隆出的受各类非生物胁迫诱导的Pe JAZ2展开了研究。本研究通过农杆菌介导的叶盘转化法将Pe JAZ2导入进84k杨(银白杨×腺毛杨,Populus alba×P.glandulosa cv.‘84K’)的基因组中,深入解析了Pe JAZ2的在杨树中的基因功能和响应干旱胁迫的机制。具体试验内容及结果如下:(1)将Pe JAZ2导入进84k杨的基因组中后对抗性植株进行DNA、RNA及融合蛋白鉴定,最后选取了4个目的基因高表达的转基因株系。过表达Pe JAZ2植株和野生型植株在表型上没有明显的差异,但过表达Pe JAZ2植株的叶绿素含量和总糖含量都显著高于野生型植株。(2)对转基因植株和野生型植株同时进行干旱处理后可知过表达Pe JAZ2植株具有很强的耐旱性,通过POD、SOD、MDA、光合参数等生理指标的测定表明过表达Pe JAZ2植株受到干旱胁迫时的受损伤程度较低、抗氧化水平较高、叶片的蒸腾速率更低、光合作用更强且具有较高的水分利用效率、同时也能产生较多的过氧化氢。(3)将干旱后和正常生长的植株做RNA-seq,将得出的数据过滤并与杨树基因组Ptrichocarpa_444_v3.0比对后进一步分析差异表达基因,转基因植株受到干旱后的差异基因数量远远大于野生型植株受到干旱处理后的差异基因,对这两组的差异基因进行分析处理,最终发现超量表达Pe JAZ2杨树受到干旱胁迫后,其中ABA信号通路中的PP2CA、Sn RK2.6等以及JAZ信号通路中的JAZ1、JAZ3、JAR1等的表达量均出现显著变化。(4)ABA处理后,DAB染色结果表明转基因植株中出现了更多棕色物质沉积,表明ABA引起了转基因植株中ROS的显著积累;同时,气孔观察发现ABA还可诱导转基因植株的气孔迅速关闭和ABA信号通路中的PYL7、PYL10的表达量上调。推测Pe JAZ2可通过介导ROS积累、气孔开闭以及ABA信号通路中关键基因表达等协同调控转基因杨树的耐旱性。本论文通过基因工程的手段获得转基因株系,随即对过表达Pe JAZ2植株进行逆境胁迫试验和生理指标测定,结果表明:Pe JAZ2可以保护植株抵御干旱,受到干旱后的过表达Pe JAZ2植株受损伤程度低、抗氧化能力强、蒸腾速率低、水分利用效率高。通过对干旱处理后的野生型植株和Pe JAZ2过表达植株进行RNA-seq分析、ABA处理下的气孔开度变化分析和ABA通路中基因表达分析,发现过表达Pe JAZ2植株受到外界刺激后的气孔关闭分为两个路径,一是可以响应ABA通路中PP2CA和Sn RK2.6的表达来调控气孔关闭,二是受到外界刺激后会产生更多的过氧化氢,经过POD和SOD的清除后剩余部分可能进一步调控气孔关闭,过表达Pe JAZ2植株通过生理和分子层面的调控共同增强了植株的耐旱性。本研究深入鉴定了Pe JAZ2在杨树中的功能,并进一步研究了Pe JAZ2抗旱的分子机理,JA和ABA的协同调控使得转基因植株具有较强的耐旱性,本结果为林木分子育种提供了新思路,为林木种质创新提供了理论基础。
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