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杨树COST基因和LSD基因响应非生物胁迫的功能分析

花匠小妙招
2025-01-06 18:09

我国生态环境脆弱以及日益增长的木材需求突出了林木经济发展的供需矛盾,为改善生态环境、缓解木材供需矛盾,加大人工林栽培迫在眉睫。然而,随着全球气温上升和降雨模式不稳定,在人工林栽培过程中盐胁迫和干旱胁迫严重制约着盐碱地和缺水地区的林木的生存与产量。研究发现,细胞程序化死亡(PCD)可以通过消除受损、老化或不必要的细胞来控制细胞数量,以维持细胞稳态抵御胁迫环境。细胞自噬(Autophagy)和类病变(Lesion Simulated Disease,LSD)是存在于植物体内的特殊的PCD,在植物抵御生物与非生物胁迫的过程中发挥重要作用。杨树(Populus)作为我国分布广泛的重要经济造林树种,在生态系统稳定和木材生产中发挥着至关重要的作用。与此同时,杨树凭借其较小的基因组优势完成了基因组测序,同时建立了成熟的遗传转化体系,已成为木本植物的模式物种用以研究林木独特生物学的细胞与分子机制。为此,本研究以杨树为主要材料,通过挖掘杨树自噬与类病变等抗逆基因,揭示其受到盐或干旱胁迫时的作用机理,为杨树抗逆分子定向设计育种提供基因资源及理论基础。目前,木本植物中细胞自噬以及类病变反应参与响应非生物胁迫的分子机制尚不清楚。为此,本研究分别以杨树中可以调控细胞自噬通路的组成型胁迫基因(Constitutively stressed 1,COST)及类病变基因(Lesion Simulated Disease,LSD)为研究对象,通过生物信息学分析及非生物胁迫响应分析筛选出对逆境胁迫响应敏感的成员PtCOST3与PtLOL1b。随后,通过创制PtCOST3以及PtLOL1b的杨树过表达株系,分析了其参与杨树响应盐胁迫和干旱胁迫中的作用机制,本论文的主要结论如下:(1)在杨树基因组中鉴定出11个PtCOST基因,分布在8条染色体上。系统发育分析表明,它们被分为4个亚家族,经历了 2次串联复制和7次片段复制事件。(2)拟南芥cost1突变体互补实验证明,PtCOST3是拟南芥COST1的功能同源基因,并作为响应盐胁迫的负调节因子发挥作用。(3)盐胁迫处理PtCOST3的过表达株系发现,转基因株系中自噬体数量减少,对盐胁迫更敏感。该结果说明PtCOST3通过调控自噬活性在杨树抵抗盐胁迫中发挥负调控作用。(4)亚细胞定位结果显示,PtCOST3和PtATG8都定位于细胞质和细胞核上。酵母双杂交,BiFC实验,LUC实验分析显示PtCOST3与PtATG8相互作用且定位于自噬体。(5)酵母单杂交和双荧光素酶活性分析表明PtERF106是PtCOST3的上游基因,并抑制PtCOST3的转录活性。(6)在杨树基因组中鉴定出5个PtLSD基因,分布在4条染色体上。系统发育分析表明,它们被分为3个亚家族,经历了 2次片段复制事件。PtLSD基因的结构高度保守,具有相似的特征和3个LSD结构域。(7)PtLOL1b基因受到干旱胁迫诱导表达,在杨树中过量表达PtLOL1b增加了对干旱胁迫的忍耐性。(8)干旱胁迫下,PtLOL1b的过表达显著增强了 ABA敏感性,减小了气孔开度,减少了蒸腾作用,提高了水分利用效率。(9)干旱胁迫下,PtLOL1b的过表达增强了抗氧化酶的活性和脯氨酸含量,从而加速了活性氧的清除。综上所述,本研究对杨树中组成型耐盐基因PtCOST3以及类病变基因PtLOL1b的功能鉴定及作用机制的研究,表明PtCOST3通过负调控细胞自噬从而影响杨树生物量积累与盐敏感特性。相反地,类病变基因PtLOL1b通过正调控抗氧化酶活性与脯氨酸含量,加速了活性氧的清除减弱氧化胁迫,增强杨树对干旱胁迫的耐受性。综上所述,本研究对PtCOST3与PtLOL1b在非生物胁迫下的功能研究,将为杨树抗逆分子定向设计育种提供基因资源及理论基础。