烟草和番茄吲哚乙酸酰胺合成酶GH3.4在丛枝菌根共生过程中的作用与机制

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作者：

廖德华

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摘要：

丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza;AM)是植物根系与一类属于根内球囊菌门(Glomeromycota)的丛枝菌根真菌(AM真菌)所形成的互惠共生体.丛枝菌根的一个重要特征就是,AM真菌的菌丝体侵入到植物根系皮层细胞,并经多次分枝在细胞中形成丛枝结构.丛枝也被认为是植物与AM真菌进行养分和信号分子交换的场所.AM真菌对植物的侵染以及菌根共生体的形成涉及到一系列复杂的过程,需要AM真菌与宿主之间进行持续的信号交流,其过程受到很多基因的程序化表达调控.近年来对植物菌根的转录组数据分析也发现,一些参与生长素合成,代谢和转运相关的基因,如Aux/IAA,GH3(Gretchen Hagen)等在菌根中被诱导上调表达.由此推断,生长素及其在植物根系内的动态平衡可能在调控植物与丛枝菌根共生过程中起重要的作用.植物GH3家族基因被证实能够通过调节植物体内激素的动态平衡,参与调控植物的生长发育过程.在植物中GH3基因家族可以分为三个亚家族(Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ),其中第二亚家族的成员主要编码生长素酰胺合成酶,负责催化生长素与部分氨基酸结合,从而调节植物体内自由态(活性)生长素的动态平衡.此次研究通过全基因搜索的方法,在番茄中鉴定到15个GH3家族基因SlGH3.1-15,对其中6个属于GH3第二亚家族的成员的表达分析显示,其中SlGH3.4(EC 6.3.2.8)的表达水平在外源施加生长素处理或接种AM真菌处理的植株中被强烈诱导表达.此次研究通过同源克隆的方法在烟草中也克隆到了SlGH3.4的直系同源基因NtGH3.4.在此基础上,实验通过外源施加生长素极性运输抑制剂处理和构建启动子融合GUS报告基因,超表达和RNAi干涉的转基因材料,进一步研究了Sl/NtGH3.4在响应和可能调控番茄/烟草丛枝菌根共生中的功能和作用机制.主要研究结果如下:1.通过对番茄和烟草外源施加生长素极性运输抑制剂(NPA)的实验证明,施加高浓度的生长素极性运输抑制剂NPA能够显著抑制番茄和烟草丛枝菌根的形成,并导致丛枝在细胞中非正常发育,丛枝结构变小.2.通过人工合成的生长素响应启动子DR5驱动GUS报告基因表达的实验证实,DR5启动子能够驱动GUS报告基因在烟草菌根中含有丛枝的细胞中表达,暗示了AM真菌对植物根系的侵染能够诱导生长素在形成丛枝的细胞中的积累.3.对番茄SlGH3家族15个成员的表达分析结果显示,六个成员处在第二亚家族的成员SlGH3.2,SlGH3.3,SlGH3.4,SlGH3.7,SlGH3.9与SlGH3.15都能够受外源生长素诱导表达,其中SlGH3.4还受菌根共生诱导强烈表达.时间点表达特征分析显示SlGH3.4的表达丰度与菌根侵染水平相一致.4.通过构建番茄SlGH3.4启动子(pSlGH3.4)驱动GUS基因的表达载体,并转化烟草的实验证明,一段2258 bp的启动子片段能够驱动GUS基因在IAA处理和接种AM真菌处理的烟草根系中表达.在IAA处理条件下,SlGH3.4启动子驱动的GUS基因主要在根尖和根成熟区的中柱和皮层细胞表达;在接种AM真菌的处理条件下,SlGH3.4启动子驱动的GUS基因主要在含有丛枝的细胞中表达.在没有IAA处理或不接种AM真菌处理的植株中几乎检测不到GUS表达信号.5,实验通过同源克隆的方法在烟草丛枝菌根中克隆到SlGH3.4的直系同源基因NtGH3.4.表达结果分析显示,该基因的表达模式与其直系同源基因一致,也受菌根共生和外源生长素共同诱导表达.在烟草中超表达NtGH3.4能够显著降低烟草内源生长素含量,抑制细胞壁扩张蛋白基因NtEXPA1,NtEXPA14和NtEXPB3与生长素信号受体基因NtTIR1的表达,并持续抑制AM真菌对根系侵染和影响丛枝正常发育.本文揭示了番茄与烟草生长素酰胺合成酶Sl/NtGH3.4响应外源生长素和丛枝菌根共生的表达特征.在烟草中超表达NtGH3.4不仅能够抑制烟草的丛枝菌根侵染率,而且还能够影响菌根中丛枝的正常发育,以上结果为揭示生长素参与调控丛枝菌根共生的分子机制方面的研究提供了有价值的指导依据.

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关键词：

丛枝菌根 共生过程 烟草 番茄 吲哚乙酸酰胺合成酶

学位级别：

博士

学位年度：

2015