UV-B对紫花苜蓿的影响及光受体MsUVR8基因的克隆

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由臭氧层变薄引起的紫外线B(UV-B,λ=280~320 nm)辐射的增加会影响植物的生长和代谢。不同剂量的UV-B辐射会对植物产生不同的影响,低剂量的UV-B辐射可引起植物的光形态建成反应,从而改变生化代谢、光合能力、基因表达等,对植物生长发育有一定的积极调控作用。而高剂量UV-B辐射会造成DNA、蛋白质、脂质等生物大分子损伤,引起组织功能紊乱,甚至导致植物死亡。UV-B光受体UVR8(UV Resistance Locus 8)可以感知并响应UV-B辐射,其介导的光信号转导途径是植物适应UV-B胁迫的重要策略之一。紫花苜蓿是一种多年生豆科植物,具有极高的经济价值和药用价值。本研究将其作为供试材料,检测了紫花苜蓿幼苗在不同水平UV-B照射下的表型变化、生理损伤、叶绿素荧光变化、类黄酮化合物积累及其合成途径中关键基因的转录水平,并以蒺藜苜蓿Mt UVR8基因序列作为参考序列,利用RACE技术进行同源克隆,获得了紫花苜蓿Ms UVR8基因的保守序列,进行了生物信息学分析并构建Ms UVR8蛋白系统进化树。同时构建了表达载体p CAMBIA1300-Ms UVR8-GFP,利用农杆菌侵染烟草,观察Ms UVR8蛋白在烟草表皮细胞中的亚细胞定位。主要实验结果如下:(1)紫花苜蓿幼苗对UV-B辐射十分敏感。幼苗在较低水平的UV-B辐射下(UV-B照射剂量<17.35μWcm–2day–1,VLF组和LF组)生长良好,具有较高的UV-B抗性。而较高水平的UV-B辐射(UV-B照射剂量>17.35μWcm–2day–1,MF组和HF组)对紫花苜蓿幼苗造成了严重的胁迫伤害,明显抑制了其生长发育和光形态建成过程。(2)在不同水平的UV-B辐射条件下,幼苗叶片的叶绿素生物合成和叶绿素荧光均受到明显抑制,表明叶绿体是UV-B的敏感靶标。(3)与对照组相比,UV-B照射下幼苗组织中山奈酚、异甘草素、芹菜素和大豆苷元等黄酮类化合物的含量均明显升高,且在较低水平UV-B照射下黄酮类化合物的含量明显高于较高水平UV-B照射下的含量。(4)与对照组相比,在较高水平的UV-B辐射条件下,类黄酮合成途径中的关键基因PAL,CHS,CHI和FLS基因的转录水平显著增加,且PAL、CHS和FLS基因的转录活性在MF组中最高,而CHI基因的转录活性在HF组中是最高的。在较低水平的UV-B辐射条件下,除了LF组中CHS基因和VLF组中CHI基因的表达水平被上调外,这些基因的转录活性均与对照组无明显差异。基因转录水平与黄酮类物质含量变化不完全一致,我们推测其原因可能是,UV-B光对这些基因表达产物黄酮化合物合成关键酶的活性产生了不同的影响,即较低水平UV-B光照激活了这些酶的活性,而较高水平对UV-B光照则抑止了这些酶的活性。(5)采用RACE技术分离克隆紫花苜蓿Ms UVR8基因的全长序列1678bp,进一步分析其核酸序列,设计引物PCR扩增获得长为834bp的一段CDS序列,命名为Ms UVR8。该基因碱基序列和氨基酸序列与蒺藜苜蓿的相似度均高达95%以上。Ms UVR8蛋白形成了不完整的折叠结构,系统发育树分析表明该蛋白与豆科植物鹰嘴豆属于同一分支。(6)用携带有p CAMBIA1300-Ms UVR8-GFP质粒的农杆菌侵染烟草,观察Ms UVR8蛋白的亚细胞定位。正常光照下,Ms UVR8蛋白主要分布于烟草细胞质中,UV-B辐照处理后向细胞核聚集。
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