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酢浆草叶发育基因OcELP1和KNOX家族在其适应与进化上的功能研究

花匠小妙招
2024-11-06 18:47

摘要

植物环境适应的生态学和进化的分子机制研究一直都是生态学关注的热点,解析植物对环境的适应性机制,不仅具有重要的理论价值,同时也具有潜在的农业应用价值。豆科植物是研究植物叶片感夜性运动和复叶发育的理想材料,近年来与叶片感夜性运动和复叶发育相关的分子机制的研究已经有了一些进展。酢浆草(Oxalis corniculata)是一个环境适应能力极强的世界广布物种,与豆科植物相似,其同时具有复叶结构和感夜性运动的现象。本研究运用生物信息学和分子生物学的方法手段鉴定了酢浆草中控制叶片感夜性运动和复叶发育的相关基因,并对OcELP1基因的功能保守性进行了验证,为后续研究酢浆草中叶片感夜性运动和复叶发育的相关机制提供依据。主要结果如下:(1)通过表型观察发现酢浆草具有和豆科植物类似的感夜性运动现象,对酢浆草的运动器官叶枕进行扫描电镜和显微结构观察发现其叶枕表面是和豆科植物类似的具有褶皱的表皮细胞,但叶枕中的皮层薄壁细胞在数目和大小上与豆科植物有所差异。(2)通过对酢浆草进行转录组测序,获得48.52Gb干净的reads,进行无参组装后共获得329721条转录本和174913条单基因簇。使用拟南芥LBD基因家族成员的蛋白序列与酢浆草转录组数据进行比对,在酢浆草中鉴定出了29个LBD基因家族的成员,通过蛋白序列的进化分析找到了4个与ELP1同源关系较近的基因,qRT-PCR检验结果显示这4个基因均在叶枕高表达,有可能都与酢浆草的感夜性运动有关。(3)对酢浆草中与叶枕发育相关的蒺藜苜蓿ELP1的同源基因OcELP1进行克隆,通过q RT-PCR和原位杂交实验观察到其在叶枕部位表达量最高,亚细胞定位显示OcELP1蛋白定位在细胞核,用Pro Mt ELP1::OcELP1载体转化蒺藜苜蓿叶枕缺失突变体elp1恢复了其叶枕的表型以及感夜性运动的能力,说明ELP1调控叶枕发育的机制在酢浆草科和豆科之间是保守的。(4)使用拟南芥KNOX基因家族成员的蛋白序列从酢浆草转录组数据中鉴定出了10个KNOX基因家族成员。其蛋白均由酸性、不稳定的亲水性蛋白构成,并定位于细胞核中;系统进化分析将酢浆草KNOX蛋白家族分为三个亚家族,包括典型的KNOXⅠ亚家族5个成员和KNOXⅡ亚家族3个成员,以及非典型的不具有同源异形盒结构域的KNOX-M亚家族2个成员;酢浆草KNOX基因家族成员所包含的结构域和基序具有一定的保守性,但在不同亚家族间保守基序的种类和数目均存在一定的差异。通过进化关系分析发现酢浆草、蒺藜苜蓿和拟南芥三个物种KNOXⅠ和KNOX-M亚家族的基因在进化树上的分布较均匀,说明其同源性较高,可以通过同源基因来寻找酢浆草中与复叶发育相关的基因。综上所述,本研究初步验证了ELP1基因调控叶枕发育的机制在酢浆草科和豆科植物之间是保守的,但是除了OcELP1以外还找到其他同源基因也在叶枕高表达,需要后续的遗传实验进一步进行功能验证。同时通过转录组数据初步鉴定出了酢浆草中LBD基因家族和KNOX基因家族的成员,为后续酢浆草中环境适应相关基因的研究奠定了基础。展开▼