【摘 要】
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草酸在植物的生长发育中起着重要作用。然而,在人体中草酸过量积累会导致多种肾脏有关的疾病以及神经系统疾病。菠菜的草酸含量较高,研究其草酸代谢关键基因功能,探究其草酸代谢调控网络,有助于更深入了解菠菜中草酸生物合成和降解的机理,对探索降低菠菜草酸含量、提高营养品质的方法有重要意义。本研究以菠菜草酸代谢关键基因转基因拟南芥为材料,测定其在不同环境胁迫(高温胁迫、低温胁迫和盐胁迫)下各生理指标的变化,探讨
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草酸在植物的生长发育中起着重要作用。然而,在人体中草酸过量积累会导致多种肾脏有关的疾病以及神经系统疾病。菠菜的草酸含量较高,研究其草酸代谢关键基因功能,探究其草酸代谢调控网络,有助于更深入了解菠菜中草酸生物合成和降解的机理,对探索降低菠菜草酸含量、提高营养品质的方法有重要意义。本研究以菠菜草酸代谢关键基因转基因拟南芥为材料,测定其在不同环境胁迫(高温胁迫、低温胁迫和盐胁迫)下各生理指标的变化,探讨在应对不同环境胁迫时拟南芥中过表达的菠菜草酸代谢关键基因发挥的作用。对菠菜草酸脱羧酶基因(SoOXDC)的生物学功能进行重点分析,对菠菜OXDC进行生物信息学分析,并研究其转基因拟南芥在草酸胁迫和氧化胁迫下根生长情况,以及氧化胁迫下转基因拟南芥的抗氧化酶基因表达量和活性变化,探究SoOXDC2和SoOXDC3的基因功能。对草酸胁迫处理的转基因株系OXDC3-5进行胁迫应答基因表达量分析和转录组测序分析,进一步探究菠菜SoOXDC3的基因功能。本研究主要结论如下:1.高温胁迫1 h时,转基因株系OXDC2-10可溶性糖含量比对照升高了1.37倍,CAT活性比对照增加5.5倍,转基因拟南芥通过影响可溶性糖代谢和CAT活性来应对高温胁迫。OXDC2-10在低温胁迫3 h时可溶性蛋白含量比对照下降了70.2%,OXDC3-5硝态氮含量低温处理1 h比对照下降了44%,转基因拟南芥通过影响硝态氮和可溶性蛋白代谢来应对低温胁迫。在盐胁迫1 h时,OXS-1的可溶性糖含量比对照升高了1.19倍,OXDC3-5的β-胡萝卜素含量比对照降低了55%,在盐胁迫12 h时,OXDC2-10的Vc含量比对照降低了74%,盐胁迫会使转基因拟南芥可溶性糖积累,β胡萝卜素和Vc含量下降。2.对菠菜的3个SoOXDCs基因进行了基因结构、蛋白保守序列和进化关系分析。通过进化树分析发现,SoOXDC3与Bv OXDC1相似度为100%。3.OXDC2-10、OXDC3-5草酸含量分别比野生型降低了42.4%和64.9%,过表达SoOXDC基因能使转基因拟南芥草酸含量下降;表达SoOXDC基因的转基因植株比野生型对外源草酸抗性更强;SoOXDC可能通过降低草酸含量来影响CAT和APX的活性,从而增强植株氧化胁迫抗性。4.转基因株系OXDC3-5在盐胁迫下COR47,RD29A,NCED3的基因表达量下降;转基因拟南芥可能通过提高COR47、RD29A、NCED3这三种基因表达量来提高其低温胁迫抗性;SoOXDC3基因对盐胁迫和低温胁迫敏感,对高温胁迫较不敏感。5.通过转录组分析研究SoOXDC3的基因功能,分析发现拟南芥中过表达基因SoOXDC3与野生型拟南芥主要差别在光合作用过程以及蛋白质结构域特异性结合方面,调控草酸含量降低可能与RNA修饰、质外体和辅酶结合相关基因有关,且影响了碳代谢以及乙醛酸和二羧酸代谢。野生型拟南芥主要通过影响光合作用相关基因以及淀粉和蔗糖的代谢、苯丙烷生物合成、嘌呤代谢应对外源草酸胁迫。转基因拟南芥可能通过影响质体组织相关基因、碳代谢通路和氨基酸的生物合成通路来增强抗性。在草酸胁迫后,过表达SoOXDC3基因影响拟南芥草酸胁迫应激主要表现在几丁质反应、植物细胞壁和寡肽跨膜转运活性的相关基因表达等方面,差异基因主要富集在氧化磷酸化通路,转基因拟南芥对草酸抗性增强可能也与这些基因和氧化磷酸化代谢有关。
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