【摘 要】
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松脂是针叶树重要的次生代谢产物,起植物自我防御作用,广泛用于工业化学品、生物燃料等。马尾松是我国重要的针叶树种和主要采脂树种,因地广质优,在社会、经济和生态上有着巨大价值。松脂的合成除了受萜类合成关键酶基因的调控外,还有转录因子的参与。WRKY转录因子是高等植物最重要转录因子家族之一,在植物生长发育、生物与非生物胁迫的应答、调控萜类以及其它次生代谢产物合成中关键基因的表达、影响植物代谢物的产量起着
【基金项目】
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十三五国家重点研发计划,马尾松材脂兼用林高效培育技术研究(2017YFD0600303-4);
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松脂是针叶树重要的次生代谢产物,起植物自我防御作用,广泛用于工业化学品、生物燃料等。马尾松是我国重要的针叶树种和主要采脂树种,因地广质优,在社会、经济和生态上有着巨大价值。松脂的合成除了受萜类合成关键酶基因的调控外,还有转录因子的参与。WRKY转录因子是高等植物最重要转录因子家族之一,在植物生长发育、生物与非生物胁迫的应答、调控萜类以及其它次生代谢产物合成中关键基因的表达、影响植物代谢物的产量起着重要作用。有关马尾松松脂合成调控的转录因子报道较少,因此挖掘马尾松松脂合成相关的WRKY转录因子基因,解析马尾松产脂的分子机理,可为我国马尾松高产脂良种选育提供分子理论依据。本研究基于实验室前期马尾松高、低产脂转录组数据,选出4个差异表达WRKY转录本序列,克隆4个WRKY转录因子基因的全长序列并进行生物信息学分析,采用荧光定量PCR分析WRKY转录因子的组织特异性表达,并探讨外源茉莉酸甲酯处理对WRKY转录因子基因表达的影响;构建植物超表达载体,并进行功能验证。主要结果如下:1.利用qRT-PCR技术分析4个WRKY转录因子基因在高、低产脂马尾松的表达情况,结果显示:PmWRKY2336、PmWRKY2870和PmWRKY3069在高产脂马尾松针叶和木质部的表达量都显著高于低产脂,这与转录组分析结果相符。PmWRKY1610在高产脂种质木质部的表达量著高于低产脂,而在针叶间差异不显著。推测这4个PmWRKY可能参与马尾松萜类代谢物的调控。2.克隆出PmWRKY1610、PmWRKY2336、PmWRKY2870和PmWRKY3069的全长序列,根据与拟南芥WRKY家族基因及马尾松WRKY家族中PmWRKY1-31蛋白的同源性,分别依次命名为PmWRKY2(WRKY2336)、PmWRKY32(WRKY3069)、PmWRKY33(WRKY2870)和PmWRKY34(WRKY1610)。PmWRKY2全长为2,193 bp,ORF为1,428 bp,共编码475 aa;PmWRKY32全长共2,368 bp,ORF为2,058 bp,共编码685 aa;PmWRKY33共2,879 bp,ORF为2,785 bp,共编码908 aa;PmWRKY34共1,142 bp,ORF为816 bp,共编码271 aa。3.生物信息学分析显示,PmWRKY2、PmWRKY32、PmWRKY33和PmWRKY34都为不稳定的亲水性蛋白,无跨膜结构和信号肽,表明这4个PmWRKY蛋白不属于分泌蛋白;保守结构及同源性分析显示,4个PmWRKY都有完整的高度保守的WRKY结构域,在WRKY家族的保守区域上与马尾松、拟南芥等植物都有很高的相似性,其中PmWRKY32、PmWRKY33属于WRKY家族的组I类成员,PmWRKY2属于组IIc成员,PmWRKY34为组IIb类成员。系统发育树分析显示,PmWRKY2与PmWRKY10、PmWRKY32与PmWRKY20、PmWRKY33与At WRKY20、PmWRKY34与PmWRKY24的亲缘关系最近。4.表达分析显示,4个PmWRKY基因的表达具有组织特异性。PmWRKY32与PmWRKY33的表达量按大到小为:茎>根>叶;PmWRKY2与PmWRKY34在根中表达量最高,在茎、叶中,PmWRKY2在叶中的表达量大于茎,而PmWRKY34在茎、叶中的表达量相近;茉莉酸甲酯处理下,4个PmWRKY转录因子基因都响应其诱导调控并上调表达,其中PmWRKY32和PmWRKY33在0-24 h时表达量呈上升趋势,24 h时达到高峰,24-48 h表达量下降。PmWRKY34在处理0-6 h表达量呈上升趋势,6 h左右达到最大值,6 h后响应调控呈下降趋势;PmWRKY2表达水平整体呈上升趋势,在48 h时PmWRKY2仍响应茉莉酸甲酯的诱导调控。5.成功构建p BWA(V)HS-PmWRKY33-GLosgfp植物超表达载体,亚细胞定位显示PmWRKY33定位于细胞核,遗传转化本氏烟草成功获得2个株系转基因烟草苗,经qRT-PCR分析,株系1(T1)的表达量高于株系2(T2),是T2的6.95倍。用液相色谱-质谱法(LC-MS)检测转基因烟草与野生型烟草的代谢物,且研究烟草萜类合成相关的基因,结果显示转PmWRKY33基因烟草可提异戊二烯脂类等化合物的合成,影响Nt DXS1和Nt DXS2上调表达,表明PmWRKY33具有调控萜类化合物合成的作用。
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