小麦扩展蛋白基因TaEXPB23的功能分析

【摘要】小麦(TriticumaestivumL.)是仅次于水稻的第二大粮食作物。小麦在生长过程中经常遭受来自环境的危害而使生长受到抑制,从而导致产量降低。扩展蛋白是一种能够调节细胞壁延伸和植物生长的细胞壁蛋白,普遍存在于正在生长的植物组织和果实中。它的发现始自1989年美国宾夕法尼亚州立大学Cosgrove等人对黄瓜下胚轴细胞延伸性的研究,自此以后开始了对扩展蛋白的研究,近几年研究结果逐渐丰富。业已证明,扩展蛋白参与多种植物生长发育过程以及逆境适应性响应。本实验室之前克隆了小麦扩展蛋白基因TaEXPB23,并获得了过量表达该基因的多个转基因烟草(NicotianatabacumL.)株系。本研究的目标是揭示该基因在植物逆境适应中的作用并分析其生理机制。首先克隆了TaEXPB23的启动子区域,对基因的时空表达、激素响应和逆境响应表达模式进行了分析；其次利用过表达TaEXPB23的转基因烟草,研究了该基因在植物耐旱、耐盐、耐高温以及磷胁迫适应中的作用,并进一步探讨了其生理机制,主要结论如下：(1)将TaEXPB23::GFP融合蛋白在洋葱表皮中瞬时表达,证实TaEXPB23蛋白定位于细胞壁。qRT-PCI检测TaEXPB23在小麦胚芽鞘中的表达水平,证实其表达水平与小麦胚芽鞘的生长密切相关。(2)利用TAIL-PCR克隆得到了TaEXPB23启动子区域996bp的片段(GenBankID:HQ391898),用PlantCARE和PLACE功能预测软件对其进行了分析,表明该启动子区域含有多种光响应元件、组织特异表达元件、多种激素(水杨酸、茉莉酸甲酯)响应元件和逆境(干旱、ABA和高温)响应元件；构建ProTaEXPB23::GUS表达载体并转化烟草,证实该基因主要在烟草的茎部和根部表达。(3)qRT-PCI检测了小麦中TaEXPB23在不同的外源激素和非生物胁迫下的表达模式。结果表明：TaEXPB23受多种外源激素调节,GA3、ET和NAA显著抑制了TaEXPB23的表达水平,而MeJA则上调了该基因的表达,IAA处理先抑制随后诱导了TaEXPB23的表达,而ABA则在后期稍微抑制了TaEXPB23的表达；此外,盐胁迫能够明显提高TaEXPB23的mRNA表达水平,而高温则抑制该基因的表达。(4)过表达TaEXPB23烟草对逆境胁迫的适应性研究结果表明,转基因烟草对干旱和盐胁迫的耐性显著提高,而对高温的耐性降低。具体表现在：盐胁迫条件下,过表达TaEXPB23烟草能维持较好的生长表型,主根较长,存活率较高,耐盐性较野生型强。生理指标检测发现,转基因烟草能够维持较低的渗透势和相对较高的保水能力,从而确保植物能从土壤中吸收并保持水分。干旱胁迫下,过表达TaEXPB23烟草的生长表型和植株存活率显著高于野生型烟草,表明转基因植株的耐旱性较野生型强。但是,高温胁迫下,转基因烟草的主根长度受到了显著抑制,其存活率和保水能力与野生型烟草相比也明显降低,耐热性较野生型差。(5)用小麦作实验材料,检测了多个扩展蛋白基因对矿质元素磷的响应模式。结果显示,过量磷和低磷条件下,小麦胚芽鞘生长区的细胞长度或宽度与正常条件下相比有显著提高；过磷和低磷处理均能提高扩展蛋白的总活性。qRT-PCR的检测结果发现5个α-扩展蛋白和8个β-扩展蛋白的表达均受磷水平的调节。过量磷条件下,TaEXPB23的mRNA水平显著提高。(6)对过表达TaEXPB23的转基因烟草的磷适应能力进行检测,证实其在过磷和低磷条件下的磷适应能力与野生型烟草相比均有显著提高。具体表现在：其生物量能够维持在相对稳定的水平,侧根数目较多,根系形态较好,光合参数受影响程度较野生型小。(7)检测了过表达TaEXPB23烟草的抗氧化胁迫能力。TaEXPB23的表达水平受MV强烈诱导,过表达TaEXPB23烟草对MV引起的氧化胁迫的抗性明显增强。氧化胁迫下,转基因烟草的叶片生长表型好于野生型烟草,植株鲜重、主根长度和叶绿素含量都明显高于野生型烟草,MDA含量低于野生型烟草。(8)过表达TaEXPB23烟草抗氧化胁迫能力的提高与植物细胞壁键连的过氧化物酶密切相关。转基因烟草的细胞壁键连过氧化物酶显著高于野生型烟草,扩展蛋白抗体孵育转基因烟草叶片能部分抑制其增强的抗氧化能力。用拟南芥(ArabidopsisthalianaL.)扩展蛋白基因突变体atexpb2进一步验证了这一结果,拟南芥突变体atexpb2的细胞壁键连过氧化物酶活性与Col-0野生型相比明显降低,抗氧化胁迫也显著降低。氧化胁迫条件下,atexpb2的叶绿素含量和萌发率与Col-0相比都显著降低。
【作者】韩阳阳；
【导师】王玮；
【作者基本信息】山东农业大学，植物学，2014，博士
【关键词】小麦(TruicumaestivumL.)；扩展蛋白；盐胁迫；水分胁迫；高温胁迫；磷适应能力；氧化胁迫；

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