番茄SlSGR1和SlNIP7基因的功能研究

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果实成熟是一个高度程序化的生物过程,涉及到色素代谢、风味形成、信号转导等诸多方面,大量的基因参与了这一过程。通过前期的研究,我们在番茄(Solanum lycopersicum)中克隆得到了两个可能与果实成熟有关的基因——SlSGR1基因和SlNIP7基因。SlSGR1基因是我们从番茄滞绿突变体green flesh(gf)中分离得到的,其在gf中发生了单核苷酸突变。因其与水稻(Oryza sativa)SGR基因高度同源,故命名为SlSGR1基因。前期的Northern Blot结果表明SlSGR1基因的表达与果实成熟和叶片衰老特异相关,并受环境胁迫和乙烯信号的诱导。为了进一步阐明gf的突变机理和SlSGR1基因的生理功能,我们通过构建RNAi沉默载体以及农杆菌介导的植物转基因,获得了16株NPTII阳性转基因番茄苗系。半定量RT-PCR结果表明其中有5株达到了对SlSGR1基因较好的沉默效果。这5株番茄苗系均表现出与gf一致的滞绿表型,衰老和黑暗处理均不能诱导其叶片的黄化。总叶绿素的提取与测定结果表明,SlSGR1基因的沉默阻断了叶绿素的正常降解过程。综合上述实验结果,我们认为gf中SlSGR1蛋白的错义突变很可能是导致其滞绿表型的根本原因,而有功能的SlSGR1蛋白很可能是叶绿素正常降解所必需的。由于SlSGR1基因是一个与果实成熟和叶片衰老都特异相关的基因,我们通过5’端缺失技术和植物转基因技术获得了994bp、737bp、529bp、328bp以及152bpSlSGR1启动子驱动的GUS报告基因转基因番茄苗系。然而半定量RT-PCR和GUS活性检测结果表明,最长的994bp SlSGR1启动子片段还不足以实现对GUS报告基因的正常调控。这说明SlSGR1启动子与衰老和成熟相关的核心元件可能还位于-994bp的上游。  SlNIP7(NR interaction protein 7)是我们通过酵母双杂交技术,筛选得到的可能与成熟特异相关乙烯受体SlETR3(NR)互作的蛋白质。其编码基因CDS区全长234bp,编码77个氨基酸残基。定量Real-time RT-PCR结果表明,SlNIP7基因在番茄的各个器官和各个发育时期均有一定的表达,但表达量以花器官居高。此外,SlNIP7基因的表达在果实成熟后期有显著上调,但这种上调趋势在乙烯不敏感突变体Nr(Never ripe)和果实不成熟突变体rin(ripening inhibitor)中受到了明显的抑制。与果实成熟过程中的上调趋势不同,SlNIP7基因的表达随叶片的衰老进程而下调。农杆菌介导的对野生型番茄SlNIP7基因的超表达和沉默并没有影响成熟果实的外在表型以及相关Marker基因(PSY1、PG、TomLoxB、ACO3、ACS2、E4、E8以及ERF1)的表达水平。这表明SlNIP7蛋白很可能并不参与乙烯信号的转导,而更可能受到了乙烯信号的调控,这种调控的生理学意义可能在果实成熟范畴之外。接下来的抗性实验表明,SlNIP7沉默转基因苗系在干燥环境下较野生型有着更好的生长状况。这暗示SlNIP7基因的表达水平可能与植株对干燥的抗性有关。转基因苗系在生理和分子水平的诸多表现使我们萌生对SlNIP7-NR互作关系的质疑,全新的酵母双杂交实验肯定我们对互作关系假阳性的猜想。然而,基于SlNIP7沉默转基因苗系对干燥环境的较好抗性,进一步深入研究SlNIP7基因的功能还是有一定意义的,而对于其命名还有待商榷。  此外,在我们的转基因后代中,有两个株系表现出纯合状态下的卡那霉素敏感性以及杂合状态下的卡那霉素抗性。Northern Blot表明,NPTII标记基因在纯合后代中受到了沉默,而在杂合后代中能够正常表达。因此,我们将这一现象命名为纯合子依赖型协同抑制。small RNA检测结果表明,NPTII同源small RNA广泛存在于转基因后代中,但其在纯合后代中的丰度要明显高于杂合后代。为了阐明small RNA产生的分子机制,我们检测了转基因植物中的通读转录产物(read-through transcripts),结果发现只有CaMV35S启动子驱动下的含反义NPTII片段的通读RNA存在于转基因植物中。结合这一实验结果,我们推测:通读RNA很可能与正义NPTII mRNA配对形成拥有部分双链结构的dsRNA,并在Dicer酶的作用下水解为siRNA;如果植株是在杂合状态,通读RNA不能达到阀值水平,只有少量的dsRNA和siRNAs形成;如果植株是在纯合状态,通读RNA会超过阀值水平并有效形成大量的dsRNA和siRNAs;这些siRNAs随后作为信号分子介导了NPTII基因mRNA的降解,并最终导致了NPTII基因的沉默以及植株的卡那霉素敏感性。
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