桑树Jacalin类凝集素基因的耐盐和抗旱功能初探

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在植物的生命历程中,难免会面临种种生存挑战,高盐、干旱等不利的环境因素尤为常见,这给植物的生长发育带来了巨大阻碍,严重时甚至会将植物扼杀在萌芽阶段。因此,研究植物的抗性基因具有重要意义。Jacalin类凝集素(Jacalin-related lectin,JRL)是植物凝集素中的重要成员,因其具有响应胁迫刺激的功能而倍受关注。到目前为止,关于JRL基因的功能研究主要集中在小麦、水稻等模式植物中,而在桑树等木本植物中的研究却很少。本研究基于川桑基因组数据库,利用生物信息学方法,鉴定得到22个桑树JRL基因。对22个桑树JRL基因在植物生长调节剂水杨酸(Salicylic acid,SA)、茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate,Me JA)以及脱落酸(Abscisic acid,ABA)处理后的表达水平进行了分析。对川桑幼苗进行盐旱胁迫处理,筛选出对干旱胁迫响应最显著的基因MnJRL8和对盐胁迫响应最显著的基因MnJRL11/12为候选基因。在烟草中异源表达MnJRL8和MnJRL11/12,通过测定叶片中丙二醛(Malondialdehyde,MDA)、脯氨酸和H2O2的含量及活性氧相关基因的表达进一步探究MnJRL8和MnJRL11/12在胁迫响应中的机理。主要研究结果如下:1、桑树JRL基因的鉴定及生物信息学分析利用生物信息学方法在川桑基因组数据库中鉴定到22个桑树JRL基因,分别命名为MnJRL1~MnJRL22。其中MnJRL21和MnJRL22包含三个Jacalin结构域,其余均只包含一个Jacalin结构域。系统进化分析显示,除了MnJRL21和MnJRL22被分在同一组中,其余桑树JRL集中在另外两组。对22个桑树JRL蛋白的保守序列进行分析,发现大多数进化关系相近的桑树JRL蛋白其基序组成相似度极高。2、桑树JRL基因在逆境胁迫下的表达分析及抗逆基因的筛选用植物生长调节剂SA、Me JA以及ABA分别处理川桑幼苗,分析桑树JRL基因的表达情况。结果表明,22个桑树JRL基因都能够对其中两种及以上的激素产生响应。在盐旱胁迫条件下,22个桑树JRL基因中有5个基因在干旱胁迫下表达量显著上调,有11个基因在盐胁迫下表达量显著上调,其中MnJRL8对干旱胁迫响应最为显著,MnJRL11/12对盐胁迫响应最为显著,推测这两个基因在桑树抗旱和耐盐的过程中发挥了主要作用,因此将MnJRL8和MnJRL11/12作为本研究的对象,进行深入的基因功能研究。3、MnJRL8和MnJRL11/12基因功能研究将MnJRL8和MnJRL11/12在烟草中异源表达,以转入PLGNL载体的烟草作为对照(CK)。干旱胁迫下,MnJRL8过表达烟草的生长状态优于CK,叶片中的MDA和H2O2含量低于CK,脯氨酸含量高于CK,此外,过表达植株中Nt Rboh D和Nt Rboh F的表达量显著低于CK,Nt SOD和Nt CAT的表达量显著高于CK;盐胁迫下,MnJRL11/12过表达烟草比CK表现出更强的耐受性,叶片中的脯氨酸含量高于CK,MDA和H2O2含量低于CK,此外,过表达植株中Nt Rboh F的表达量显著低于CK,Nt SOD和Nt CAT的表达量显著高于CK。这些结果表明,MnJRL8和MnJRL11/12的过表达对转基因烟草的活性氧产生及清除系统造成了影响,使植株能够有效地清除在胁迫条件下过量积累的活性氧,降低MDA含量从而减轻膜系统的受损程度,同时大量积累渗透调节物质脯氨酸,防止细胞失水过度,进而提高转基因烟草的抗性。
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