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菊花CmHLB基因调控木质素合成和茎秆强度的分子机制研究

花匠小妙招
2024-11-06 14:52

摘要

菊花(Chrysanthemum morifolium)是我国十大传统名花和世界四大切花之一,具有很高的观赏和经济价值。然而,菊花在栽培过程中常因茎秆强度不足而出现倒伏、弯茎等现象,生产上需要通过拉网或绑扎加以固定,耗费大量的人力物力。茎秆强度作为重要的农艺性状,与植物的抗倒伏性密切相关。目前,关于茎秆强度的研究主要集中在农作物上,而对观赏植物的研究较少。PRE4是拟南芥PRE基因家族成员之一,参与调控开花、花器官发育和光信号转导。然而,目前关于PRE4的其他功能还未见报道。本研究中,我们发现一个PRE4的同源基因,CmHLB,其表达水平与菊花的茎秆强度和木质素含量正相关。因此,从切花菊‘神马’中克隆获得CmHLB基因,对其功能进行研究,初步阐明CmHLB调控菊花木质素合成和茎秆强度的分子机制。该研究不仅丰富了PRE转录因子的功能,完善了木质素合成的转录调控网络,而且为培育菊花抗倒伏新品种奠定了基础,具有重要的理论价值和实践意义。本研究的主要内容和结论如下:1.从切花菊‘神马’中克隆获得CmHLB基因,其开放阅读框为297 bp,编码98个氨基酸。氨基酸序列比对发现CmHLB含有保守的HLH结构域,属于PRE基因家族。系统进化分析结果表明CmHLB与At PRE2,At PRE6和At PRE4形成一个分支,其中与At PRE4亲缘关系最近。亚细胞定位和转录激活活性分析结果显示,CmHLB定位于细胞核中,无转录激活活性。表达模式分析结果显示,CmHLB在异源转化的拟南芥花序茎的皮层、韧皮部、木质部以及正在分化的束间纤维中表达,也在幼苗的茎尖、子叶叶脉、真叶以及花器官中表达。2.与野生型菊花相比,超表达CmHLB转基因菊花植株矮化,茎秆增粗,茎秆强度增强,束间纤维、木质部纤维和导管细胞壁增厚,木质素含量升高;干扰株系茎秆强度变弱,束间纤维和木质部纤维细胞壁变薄,木质素含量降低。因此,CmHLB可能通过调控木质素含量影响菊花茎秆的机械强度。此外,超表达CmHLB转基因拟南芥植株有茎秆开裂的表型,进一步研究发现,转基因植株茎秆木质素含量升高,木质化程度增加,说明CmHLB促进拟南芥木质素的合成。3.为了进一步明确CmHLB影响菊花木质素含量的分子机制,我们对野生型‘神马’和CmHLB转基因植株的茎秆进行转录组测序。对差异表达基因进行KEGG富集分析,发现四个比较组都显著富集到苯丙烷代谢路径,而木质素的生物合成就是苯丙烷代谢路径的一个分支。进一步对苯丙烷代谢路径基因进行分析,发现木质素单体合成关键基因CmPAL1、CmCCo AOMT、CmHCT以及催化木质素单体聚合的过氧化物酶基因CmPER12、CmPRX25、CmPRX71和漆酶基因CmLAC8都在超表达株系中上调表达,在干扰株系中下调表达,说明CmHLB通过调控木质素合成基因的表达影响菊花木质素的合成。4.通过酵母双杂交实验筛选出CmHLB的互作蛋白CmKNAT7,进一步通过Bi FC和Pull-down实验证明CmHLB和CmKNAT7在体内体外互作,且CmKNAT7的KNOX2结构域是它们互作所必需的。氨基酸序列比对发现CmKNAT7具有保守的KNOX1、KNOX2和Homeodomain结构域,属于KNOX基因家族。系统进化分析结果显示CmKNAT7与向日葵Ha KNAT7亲缘关系最近。亚细胞定位和转录激活活性分析结果表明,CmKNAT7定位于细胞核中,无转录激活活性。与野生型菊花相比,超表达CmKNAT7转基因菊花茎秆强度变弱,束间纤维、木质部纤维和导管细胞壁显著变薄。木质素合成关键基因在超表达CmKNAT7转基因菊花中下调表达。此外,CmKNAT7能够回补knat7突变体束间纤维和木质部纤维次生细胞壁增厚的表型。以上结果表明,菊花CmKNAT7在负调控次生细胞壁形成和木质素合成方面功能保守。综上所述,CmHLB通过与CmKNAT7互作调控下游木质素合成基因的表达,进而影响菊花木质素的合成和茎秆的机械强度。展开▼