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植物面对各种各样的生物因素和非生物因素影响能表现出惊人的可塑性,避荫反应就是避荫植物针对光这一环境信号影响做出的可塑性反应,对其适应环境胁迫和生存具有极其重要的意义。植物叶片透射或反射后的光中红光(R)、远红光(FR)比例降低,避荫植株感受到这一信号变化后表现出下胚轴和叶柄快速生长,叶片偏下性,侧枝减少,开花提前,叶绿素含量降低等,这一系列反应统称为避荫综合症(shade avoidance syndrome,SAS)。本研究以分离得到的避荫突变体p25-7为材料,通过分析该突变体,并利用图位克隆找出相应的突变基因,从而进一步研究避荫反应的机制。
通过对突变体p25-7的一系列表型鉴定,我们发现突变体植株在模拟遮荫后下胚轴较短;黑暗中生长下胚轴也较短;主根根长较短,侧根较少;成年整体植株矮小,分枝较多,顶端优势不明显。在模拟遮荫条件下激素处理实验中发现,p25-7下胚轴伸长对生长素类似物Picloram及油菜素内酯epibrassinolide(eBL)敏感性降低,而对赤霉素(GA)表现出超敏感;且根的伸长对赤霉素也表现出超敏感;说明p25-7有可能是赤霉素合成突变体。
经遗传试验分析,我们确定突变体为单基因隐性遗传。通过图位克隆,我们将突变位点定位在第一条染色体T28K15(4MB)和T20H2(6.99MB)两个分子标记之间,分析该范围中基因并确定了候选基因:赤霉素合成基因GA3OX1(AT1G15550)。然后经测序发现该突变体在基因GA3OX1上第1358bp位处碱基由C突变为T,引起编码第309位谷氨酰胺的密码子变为终止子,从而使编码蛋白质提前终止。
基因GA3OX1突变造成了p25-7避荫缺陷,说明赤霉素对拟南芥避荫反应是必需的。我们利用遮荫处理下全基因组转录组的数据,分析了已知的编码赤霉素合成酶的基因的表达发现,遮荫处理诱导赤霉素合成基因GA20OX1、GA20OX2和GA3OX1表达。TAA1(TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE of Arabidopsis1,拟南芥色氨酸氨基转移酶1)是遮荫诱导拟南芥生长素快速合成途径中的关键基因。我们发现遮荫诱导的GA20OX1、GA20OX2表达是TAA1依赖型的,而GA3OX1表达上调则不依赖于TAA1,说明遮荫通过不同的途径调控赤霉素合成。当拟南芥幼苗处于强遮荫条件下(R∶FR比例低于0.1),遮荫诱导的下胚轴伸长被抑制,该反应由光敏色素PHYA介导。我们发现强遮荫或长时间的遮荫对GA3OX1表达的抑制是由PHYA介导的。综上所述,我们的研究表明赤霉素参与了植物的避荫反应,遮荫信号通过多种途径对赤霉素合成酶进行不同的调控进而达到对植物体内赤霉素含量的精确调控和对植物生长的调节。