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重金属通过光合作用、呼吸作用、有机物质运输等方式对植物生理生化过程产生破坏性作用,从而影响植物生长发育。番茄是一种重要的蔬菜作物,因此研究其响应重金属胁迫的机制及挖掘抗重金属胁迫相关基因十分重要。WRKY转录因子是植物中最大的转录调控因子家族之一,调控植物许多生物过程信号网络的组成部分,参与植物的生长发育,生物和非生物胁迫等过程。尽管WRKY转录因子在非生物胁迫方面的研究很广泛,但是目前关于番茄SlWRKY6基因在重金属胁迫方面的研究较少,因此从WRKY转录因子着手研究番茄抵抗重金属胁迫比较有意义。本研究从番茄中克隆出SlWRKY6基因,研究该基因与三种重金属胁迫的相关性。研究结果如下:
(1)成功克隆SlWRKY6基因编码区全长,经生物信息学分析得出该基因编码区全长为1342bp,编码447个氨基酸。比对其蛋白保守结构域发现,该蛋白含有WRKY转录因子家族所具备的典型的WRKYGQK结构域,锌指结构为C2H2,判断其属于番茄WRKY家族的GroupⅡ亚家族成员。SlWRKY6蛋白具有两个跨膜结构域,二级结构预测结果显示无规则螺旋是该蛋白最主要的结构。启动子顺势作用元件预测显示SlWRKY6基因可能在植物抵抗逆境胁迫过程中起到一定作用。系统进化树表明SlWRKY6与SpWRKY31最近。利用实时荧光定量PCR方法检测发现,番茄SlWRKY6基因在老叶、老根、老茎、幼叶、幼根、幼茎组织中均有表达,其中在老叶组织中表达量显著高于其他组织。番茄经CdCl2、CuCl2、HgSO4溶液水培处理后,SlWRKY6基因在根和叶中均有不同程度的响应,根中的表达量始终高于叶片,说明SlWRKY6基因响应CdCl2、CuCl2、HgSO4胁迫;构建重组表达载体,转化酵母感受态细胞,能在SD/-Trp-His双缺培养基上正常生长,菌落变蓝,说明SlWRKY6基因具有转录激活活性。
(2)将pCAMBIA2300-SlWRKY6重组表达载体转化到GV3101农杆菌感受态细胞中,通过花序侵染法获得SlWRKY6过表达转基因拟南芥。经PCR方法鉴定得到2个T3代纯合转基因株系。通过荧光定量PCR方法对SlWRKY6过表达转基因拟南芥和slwrky6突变体拟南芥进一步鉴定,分别命名为SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2及slwrky6。经CdCl2、CuCl2、HgSO4处理后,发现SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2拟南芥成苗期的生长状态好于WT和slwrky6。
(3)用CdCl2、CuCl2、HgSO4处理WT、SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2及slwrky6,发现SlWRKY6基因过表达株系显著提高了拟南芥的萌发率、根长、叶绿素含量、CAT和SOD酶活性,以及显著降低了MDA含量。通过分析重金属转运相关基因和抗氧化酶系统相关基因表达,发现三种重金属胁迫下过表达株系能够促进IRT1、NRAMP1和ZIP1基因表达。在CdCl2胁迫下,SlWRKY6过表达株系导致CAT1和GSH1基因表达显著上调,CAT2、CSD1基因表达显著下调,CuCl2胁迫下,与0h相比,3h时过表达转基因株系中CAT1、CAT2和CSD1基因显著上调表达,HgSO4胁迫下,SlWRKY6过表达转基因株系中CAT1、CAT2、CSD1和GSH1基因表达量显著高于0h,且显著性变化持续时间较长。说明SlWRKY6基因通过金属转运途径和提高番茄抗氧化能力导致植物对重金属胁迫的耐受性增强,且耐受机制因重金属种类而异。
(1)成功克隆SlWRKY6基因编码区全长,经生物信息学分析得出该基因编码区全长为1342bp,编码447个氨基酸。比对其蛋白保守结构域发现,该蛋白含有WRKY转录因子家族所具备的典型的WRKYGQK结构域,锌指结构为C2H2,判断其属于番茄WRKY家族的GroupⅡ亚家族成员。SlWRKY6蛋白具有两个跨膜结构域,二级结构预测结果显示无规则螺旋是该蛋白最主要的结构。启动子顺势作用元件预测显示SlWRKY6基因可能在植物抵抗逆境胁迫过程中起到一定作用。系统进化树表明SlWRKY6与SpWRKY31最近。利用实时荧光定量PCR方法检测发现,番茄SlWRKY6基因在老叶、老根、老茎、幼叶、幼根、幼茎组织中均有表达,其中在老叶组织中表达量显著高于其他组织。番茄经CdCl2、CuCl2、HgSO4溶液水培处理后,SlWRKY6基因在根和叶中均有不同程度的响应,根中的表达量始终高于叶片,说明SlWRKY6基因响应CdCl2、CuCl2、HgSO4胁迫;构建重组表达载体,转化酵母感受态细胞,能在SD/-Trp-His双缺培养基上正常生长,菌落变蓝,说明SlWRKY6基因具有转录激活活性。
(2)将pCAMBIA2300-SlWRKY6重组表达载体转化到GV3101农杆菌感受态细胞中,通过花序侵染法获得SlWRKY6过表达转基因拟南芥。经PCR方法鉴定得到2个T3代纯合转基因株系。通过荧光定量PCR方法对SlWRKY6过表达转基因拟南芥和slwrky6突变体拟南芥进一步鉴定,分别命名为SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2及slwrky6。经CdCl2、CuCl2、HgSO4处理后,发现SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2拟南芥成苗期的生长状态好于WT和slwrky6。
(3)用CdCl2、CuCl2、HgSO4处理WT、SlWRKY6-OE1和SlWRKY6-OE2及slwrky6,发现SlWRKY6基因过表达株系显著提高了拟南芥的萌发率、根长、叶绿素含量、CAT和SOD酶活性,以及显著降低了MDA含量。通过分析重金属转运相关基因和抗氧化酶系统相关基因表达,发现三种重金属胁迫下过表达株系能够促进IRT1、NRAMP1和ZIP1基因表达。在CdCl2胁迫下,SlWRKY6过表达株系导致CAT1和GSH1基因表达显著上调,CAT2、CSD1基因表达显著下调,CuCl2胁迫下,与0h相比,3h时过表达转基因株系中CAT1、CAT2和CSD1基因显著上调表达,HgSO4胁迫下,SlWRKY6过表达转基因株系中CAT1、CAT2、CSD1和GSH1基因表达量显著高于0h,且显著性变化持续时间较长。说明SlWRKY6基因通过金属转运途径和提高番茄抗氧化能力导致植物对重金属胁迫的耐受性增强,且耐受机制因重金属种类而异。