花生转录因子AhNAC2的功能研究

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干旱等非生物逆境是影响植物生长发育的主要因素,脱落酸(ABA)作为植物激素,在植物对水分胁迫的防御反应中起重要作用。植物体通过激活信号转导体系来响应水分胁迫刺激,诱导体内ABA合成与抗性基因表达,提高植物体自身抗逆性。干旱胁迫及其信号转导机制在模式植物中已广泛开展研究,相关工作在其他农作物的研究不足。花生是我国重要的油料和经济作物,降雨量少或季节性干旱仍是花生产量和品质的主要制约因素之一。因此,研究花生抗旱分子机理,推动花生抗旱性的实际应用,具有重要意义。  本论文通过从耐旱花生品种中分离克隆一个胁迫相关NAC转录因子基因AhNAC2(Genebank注册号:EU755023);分析AhNAC2基因结构信息和基因表达特征;证实AhNAC2蛋白的转录因子特性;分析异源表达AhNAC2植株的抗逆性;研究水分胁迫下AhNAC2对花生ABA合成关键酶基因AhNCED1转录调控的影响。认识花生AhNAC2的功能及其在水分胁迫过程中转录调控下游相关基因的可能作用,以期为花生从感受水分胁迫信号到促进ABA快速合成、提高植株抗旱性的分子机制提供依据。获得结果如下:  1)从花生中克隆了AhNAC2基因的完整基因组序列:获得的AhNAC2全基因组长度为2560bp,包含891bp的基因5’上游启动子序列和1759bp的基因转录区(1050bp的读码框序列,98bp和96bp的两个内含子序列,102bp的5’非翻译区和413bp的3’非翻译区);AhNAC2预测编码349个氨基酸残基的蛋白,相对分子量为39.1kD,蛋白等电点为7.38,蛋白N端含有保守的NAC结构域,C端则高度变异;AhNAC2与大豆GmNAC4和拟南芥RD26的同源性分别为82.4%和71.1%,AhNAC2属于AtNAC3业家族。  2)花生AhNAC2基因的5’上游启动子区包含多种胁迫和激素响应元件,如ABRE、GARE、WRKY盒等;AhNAC2基因在成熟叶、幼叶、根、荚果和未成熟种子中都有表达;脱水、高盐、冷害和渗透胁迫均能诱导AhNAC2转录本上调;同时AhNAC2分别被植物激素ABA、GA3、SA和NAA上调。  3)融合蛋白AhNAC2-GFP定位于细胞核,蛋白N端区域决定其核定位功能;酵母活性分析确认GAL4-AhNAC2融合蛋白C端(191-349aa)为转录活性区域;原核表达纯化His-AhNAC2融合蛋白,体外EMSA证明His-AhNAC2蛋白与NACRE序列特异结合。  4)构建AhNAC2过表达载体,筛选获得拟南芥转基因纯系;在ABA处理下,过表达AhNAC2转基因拟南芥的根生长、萌发率、子叶绿胚率和气孔开度均显著低于野生型,表现ABA过敏感性;干旱胁迫下,转基因植株相比野生型具有更高存活率和较低叶片失水率,抗旱性提高;盐胁迫下,转基因植株的叶绿素含量和存活率均显著高于野生型;转基因植株在冷害处理下其存活率亦高于野生型;转基因植物中12个拟南芥胁迫相关基因表达相比野生型显著上调;过表达AhNAC2互补同源基因突变体rd26的部分ABA敏感性和抗旱表型。  5)花生水分胁迫初期,AhNAC2与AhNCED1的基因表达具有相关性;酵母单杂与体外EMSA实验证实,AhNAC2融合蛋白可以结合AhNCED1基因启动子F(1~456bp)和M(457~891bp)的DNA区段,而不能结合L(892~1418bp)区段;染色质免疫共沉淀分析证实,AhNAC2-GFP融合蛋白能在植物体内结合AhNCED1基因启动子DNA,F区结合效率比M区高,不结合L区。  6)稳定表达AhNAC2抑制pAhNCED1::GUS转基因株系幼苗的GUS活性,PEG处理诱导稳定转基因植株幼苗韧皮部筛管细胞GUS活性特异表达,但相比对照变化较低;瞬时表达AhNAC2效应子提高pAhNCED1报告子GUS活性;在野生型Col中,PEG处理能显著提高AhNAC2对pAhNCED1报告子GUS活性的影响,ABA显著降低AhNAC2的影响,同时抑制AhNAC2蛋白丰度;在αbf3突变体中,互补表达ABF3效应子恢复AhNAC2对pAhNCED1报告子GUS活性的促进作用,ABA处理下,互补表达ABF3效应子恢复AhNAC2对pAhNCED1报告子GUS活性的抑制作用。  综上所述,花生AhNAC2是NAC基因家族的新成员,具有保守结构特征,基因启动子区域含多种逆境相关元件,响应干旱和ABA等胁迫;AhNAC2蛋白具有典型的转录因子特性,蛋白N端和C端分别决定其细胞核定位和转录活性的功能;AhNAC2可能通过调节胁迫相关基因表达提高植株的非生物逆境抗性,同时参与ABA介导的抗旱信号中;水分胁迫下AhNAC2直接结合AhNCED1基因启动子影响基因表达;AhNAC2可能通过ABF3介导的ABA信号抑制自身作用,从而反馈调控AhNCED1基因的转录水平。
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