生长素运输载体SlPIN在调控番茄花柄脱落中的作用机制

• 花匠小妙招
• 2024-12-31 01:16

【摘要】： 逆境导致作物落花落果是影响产量的重要因素之一,因此研究作物落花落果调控机制对于提高作物产量具有重要意义。生长素是调控植物器官脱落的重要激素之一,它的作用发挥与其分布密切相关,而它的分布又与生长素极性运输有关。目前已知生长素运输载体PIN-FORMED(PIN)蛋白是生长素极性运输的关键因子,并已明确在植物生长发育中发挥作用,但在植物器官脱落调控方面尚未见系统研究报道。本文以番茄花柄为材料,利用生物信息学、分子生物学和生理学等手段,筛选了番茄花柄脱落过程中关键SlPIN,并明确了其对番茄花柄脱落的调控作用;探究了在番茄花柄脱落过程中SlPIN翻译水平和转录后水平的调控机制,明确了SlPIN蛋白对番茄花器官生长素运输、分布和脱落的调控机理。主要研究结果如下:1.生物信息学分析表明,番茄SlPIN家族10个成员中,SlPIN1、SlPIN2、SlPIN3、SlPIN4、SlPIN7和SlPIN9拥有长亲水环,属于“长PIN”类型;SlPIN5、SlPIN6、SlPIN8和SlPIN10拥有短亲水环,属于“短PIN”类型。ddPCR分析表明,番茄花柄中表达的SlPIN成员有7个,其中Sl PIN1、SlPIN3和Sl PIN4表达量较高。脱落过程中,Sl PIN同时受生长素和乙烯的调控,其表达模式呈现不同的时空特异性。脱落前期(0~4 h)SlPIN基因表达普遍下调,暗示生长素运输减缓;而脱落期(8 h之后),部分SlPIN基因在离区(AZ)和近轴端表达上调,而在远轴端持续低表达,这可能有利于提高离区及近轴端生长素运输,以促进离区生长素消耗。IAA处理试验表明生长素诱导SlPIN表达。移除生长素源导致花柄SlPIN基因迅速下调(0~4 h),而IAA处理导致SlPIN表达迅速上调,表明SlPIN的表达对IAA高度敏感。乙烯及其抑制剂1-MCP处理试验表明,乙烯可能通过调控SlPIN表达来影响脱落期生长素的运输和离区对响应乙烯的能力。此外,花柄近轴端中一些SlPIN基因在16~24 h高表达,暗示其可能参与脱落后母体端的保护层形成与防御反应。2.在花柄中高表达的3个SlPIN成员中,Sl PIN1和Sl PIN4是促进番茄子房和花柄生长素向基性运输的关键调控因子,而沉默SlPIN3并未明显影响番茄花器官生长素运输与分布以及花柄的脱落。研究发现,子房中SlPIN1和SlPIN4通过促进子房向花柄的生长素运输维持离区生长素积累,抑制脱落。沉默SlPIN1(pTRV-SlPIN1)和SlPIN4(pTRVSlPIN4)后,子房生长素向基性运输受阻,导致花柄离区生长素积累不足,脱落提前。而花柄中SlPIN1和SlPIN4则通过介导生长素向基性运输消耗离区生长素,促进脱落。利用IAA预处理恢复pTRV-SlPIN1和pTRV-Sl PIN4离区生长素积累后,其花柄表现延迟脱落。3.离区SlPIN1和SlPIN4蛋白量在脱落前期呈下降趋势,但在脱落期明显升高。蛋白酶体抑制剂MG132处理试验证明,脱落过程中离区SlPIN1和SlPIN4蛋白量的增加,显著提高了生长素向基性运输能力,加速了离区生长素消耗与脱落。此外,脱落期离区的SlPIN1和SlPIN4蛋白量升高程度远大于基因表达上调程度,暗示SlPIN1和SlPIN4蛋白量的升高可能涉及翻译后水平调控。4.PIN蛋白的极性定位对生长素极性运输与分布的调控至关重要,但PIN蛋白极性定位与脱落关系尚不明确。前人报道Brefeldin A(BFA)干扰PIN蛋白极性定位和生长素极性运输,本研究结果显示,BFA处理改变了花柄生长素分布和脱落进程,表明PIN极性定位与脱落有关。模拟磷酸化实验表明,高度磷酸化的SlPIN1和SlPIN4在细胞膜上无极性定位,反之促进其向底部细胞膜定位。脱落过程中SlPIN1和SlPIN4蛋白磷酸化水平显著下降,暗示SlPIN1和SlPIN4蛋白趋向底部细胞膜定位,从而增强生长素向基性运输,促进脱落发生。

【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018

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