蜡梅CpWRI-L4基因的克隆与功能分析

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APETALA2/ETHYLENE-RESPONSIVE ELEMENT-BINDING FACTOR(AP2/ERF)是一个庞大的基因家族,该基因家族所有成员至少含有一个AP2/EREBP结构域(AP2 domain),主要参与植物生长发育、控制形成花序分生组织以及调控花器官形态、胚珠和种子的正常发育等方面。WRI基因作为AP2/ERF基因家族中的一员,为探究其功能,本试验首次从蜡梅中克隆得到WRI的同源基因,并命名为CpWRI-L4(Chimonanthus praecox WRINKLED-Like 4)。对该基因序列及其编码的氨基酸序列进行生物信息学分析及结构分析,并构建系统进化树;对CpWRI-L4在蜡梅各器官组织、各时期的花芽以及非生物胁迫环境下的表达量分析,然后构建CpWRI-L4过表达载体转入模式植物拟南芥中,表型观察结合内源基因表达分析,对CpWRI-L4基因的功能进行初步研究。主要结果如下:1.蜡梅CpWRI-L4基因克隆本实验通过基因克隆得到蜡梅CpWRI-L4基因序列,序列长度为1203bp,包含1038 bp的完整开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)。2.CpWRI-L4基因的生物信息学分析利用NCBI等在线工具对蜡梅CpWRI-L4蛋白的氨基酸序列进行结构域分析,发现其含有2个AP2/EREBP结构域,此为AP2/ERF基因家族特征。利用Edit Seq和Prot Param等软件对蜡梅CpWRI-L4基因序列分析,确定该基因编码345个氨基酸,预测分子式为C2071H3183N545O592S24,原子个数为5306。对CpWRI-L4蛋白进行亚细胞定位预测,表明其定位在细胞核内。利用Signal P在线软件预测,显示CpWRI-L4蛋白不具有信号肽序列。此外,用TMHMM工具分析表明CpWRI-L4蛋白不具有跨膜结构域。将CpWRI-L4蛋白序列与拟南芥、葡萄等物种的AP2亚族基因编码的蛋白进行氨基酸序列与结构分析,发现该蛋白与其他物种的basal ANT组基因的蛋白的序列和结构都比较相似。接着将此蛋白与其他物种的AP2/ERF家族基因的蛋白质序列构建NJ进化树,结果表明克隆得到的蜡梅基因属于basal ANT类,并且与拟南芥WRI-L4蛋白同源性最高。3.CpWRI-L4基因的转录表达分析利用qRT-PCR对CpWRI-L4在蜡梅幼苗的不同组织、进行非生物胁迫处理(高温、低温、高盐)的蜡梅幼苗、成年蜡梅不同时期的花芽进行表达特性分析。实验结果显示CpWRI-L4在蜡梅的生殖器官(花的外瓣、雌蕊、雄蕊和幼果)中高表达,而在营养器官(茎和叶)的表达量较低,由此猜想该基因参与了蜡梅生殖器官,如花和果的发育;在花原基形成阶段的蜡梅花芽中,CpWRI-L4基因表达量一直处于最高的水平,在低温累积打破休眠阶段过渡至露瓣阶段,CpWRI-L4基因表达量急剧下降。由此我们可以预测,CpWRI-L4参与了蜡梅花原基形成,与蜡梅花芽分化有关,同时也有可能在低温累积打破休眠阶段起作用;对蜡梅进行非生物胁迫时,发现CpWRI-L4在高温、低温环境条件下表达量显著下调,而在高盐环境条件下表达量显著上调。结果暗示着CpWRI-L4可能同时响应低温、高温及高盐等非生物胁迫。4.CpWRI-L4基因转化拟南芥表达分析与表型观察将构建好的过表达载体转入农杆菌菌株GV3101并转化野生型拟南芥(Col-0),然后对收取的T0代拟南芥种子进行Hyg抗性筛选。通过对T0代转基因植株DNA检测以及T2代纯合体转基因阳性植株qPCR鉴定,最终获得蜡梅35S::CpWRI-L4/Col-0拟南芥株系5个,T2代纯合体单株12个。提取T2代转基因株系的总RNA,通过实时荧光定量PCR分析T2代不同转基因拟南芥株系和野生型拟南芥中CpWRI-L4基因的表达情况,结果表明CpWRI-L4基因在各转基因拟南芥株系中均有表达,只是表达水平不同。CpWRI-L4基因在OE7-6中的相对表达水平最高,分别是OE9-5和OE10-12中的2倍和12倍左右,在野生型拟南芥中没有该基因的表达;选取OE7-6,OE9-5,OE10-12三个株系与野生型拟南芥进行表型观察,发现OE7-6,OE9-5,OE10-12单株的抽葶时间、第一朵花开放时间和第一个果荚出现时间均提前于野生型拟南芥植株;但是各过表达拟南芥植株的莲座叶数量相对于WT植株显著减少,株高也有明显降低。对35S::CpWRI-L4/Col-0拟南芥不同植株(OE7-6,OE9-5,OE10-12)开花途径相关的内源基因进行表达分析时,发现CpWRI-L4在拟南芥中的异源表达使拟南芥的4个内源基因(FT、SOC1、AP1、LFY)上调。由此可以预测,该基因可以促进植物提前开花。
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