水稻木聚糖酶抑制蛋白的功能和表达模式研究

【摘要】1997年,Debyser等首次发现小麦(Triticumaestivum)中有内切木聚糖酶抑制蛋白存在。目前推测水稻木聚糖酶抑制蛋白可能在植物防御中发挥作用。本研究首先从水稻基因组中克隆出一个XIP型木聚糖酶抑制蛋白基因OsXIP-II;利用转基因技术获得XIP型抑制蛋白基因过量和消减表达的转基因水稻,阐明抑制蛋白家族基因在水稻生长发育中的作用；进而利用过量表达木聚糖酶抑制蛋白基因的水稻株系,进行稻瘟病处理的抗病性评估；利用RNA-Seq技术对一个木聚糖酶抑制蛋白基因超量表达单拷贝纯合株系(T2代)进行差异基因表达分析；同时构建了木聚糖酶抑制蛋白基因promotOr::GUS载体,分析抑制蛋白基因家族的表达模式。主要研究结论如下：(1)克隆和表达了水稻XIP型木聚糖酶抑制蛋白——OsXIP-Ⅱ,并通过农杆菌遗传转化获得OsXIP-Ⅱ过量和消减表达转基因水稻,初步推测osSIP-Ⅱ可能参与水稻的抗病防御过程。(2)以RIXI作为水稻XIP型木聚糖酶抑制蛋白的代表,研究XIP型木聚糖酶抑制蛋白在水稻中的生理功能。结果显示RIXI基因过量表达对水稻生长发育没有显著影响,但水稻感染稻瘟病后,RIXI基因的过量表达可以提高水稻中部分防御相关基因的表达,同时增强水稻对稻瘟病的抗性。(3)运用RNA-Seq技术结合数字基因表达谱(DGE),分析RIXI基因过量表达单拷贝纯合株系与野生型水稻的mRNA,发现了大量差异表达基因。对差异基因按功能做了分类,发现这些差异基因与生物学过程和分子功能相关,主要为转录因子家族和防御相关蛋白基因。通过Pathway显著性富集结果显示代谢通路、次级代谢的生物合成、植物与病原菌互作和激素信号转导通路中差异表达基因最多,而且植物与病原菌互作途径通路中基因表达差异最显著,我们详细分析了植物与病原菌互作、激素信号转导和光合作用系统中的差异基因。(4)水稻XIP家族基因的表达模式研究。OsXIP::sGFP和riceXIP::sGFP融合蛋白在烟草叶片中的瞬时表达结果表明,OsXIP和riceXIP在细胞膜外和细胞间隙都有分布。克隆水稻RIXI,OsXIP和riceXIP基因的启动子序列,构建连接GUS报告基因的启动子分析载体,再通过农杆菌介导法转入水稻。对这些转基因株系的GUS染色结果表明,RIXI主要在根、茎、幼苗叶片和根茎结合部维管束中表达；OsXIP在根和颖壳中表达较强；riceXIP主要在根尖、颖壳和雄蕊中表达。而且幼苗期叶片中RIXI表达较强,OsXIP和riceXIP表达较弱；成熟植株叶片中,RIXI和riceXIP不表达,OsXIP有微量表达。所以RIXI、OsXIP和riceXIP在水稻中的表达强度、表达位置及表达时期都有各自的特异性。(5)水稻木聚糖酶抑制蛋白在不同胁迫下的响应情况。分别用MeJA、NaCl、稻飞虱(Nilaparvatalugens)、损伤和低温(8℃)处理RIXI、OsXIP和riceXIP基因的promotor::GUS转基因水稻。GUS活性结果分析表明水稻叶片和根中的OsXIP和riceXIP可以应答稻飞虱、损伤、低温、MeJA和NaCl的诱导,OsXIP的表达变化比riceXIP显著；RIXI的表达受稻飞虱、损伤、低温和MeJA诱导,不受NaCl诱导。机械损伤和稻飞虱处理的诱导情况有相似性。我们的结果显示木聚糖酶抑制蛋白家族各成员在水稻中的表达模式不同,对外界胁迫的响应方式也不一样,因此推测它们具有不同的功能,例如它们都参与在水稻的抗病防御,RIXI可能主要在幼苗期起作用,OsXIP和riceXIP可能主要在抽穗期到种子成熟期起作用。
【作者】侯春晓；
【导师】蒋德安；翁晓燕；
【作者基本信息】浙江大学，植物学，2014，博士
【关键词】水稻基因；基因表达差异；过量表达；家族基因；水稻生长发育；野生型；信号转导；单拷贝；水稻叶片；颖壳；

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