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[硕士论文] 黄朝琨
设施园艺学 广西大学 2018(学位年度)
摘要:我国设施作物生产中土壤营养元素失衡,土壤呈现酸化趋势是一个较为严重的问题。土壤酸化会增加可溶性铝的含量,抑制植物正常生长和损害其生理功能。植物体内合成的铝激活苹果酸转运蛋白(ALMT1)能促进根系苹果酸的分泌,从而缓解植物受铝离子的胁迫。因此ALMT1在调节苹果酸分泌和植物对铝胁迫耐受的过程中起着关键作用。为深入研究植物耐铝基因ALMT1表达的调控机制,本研究通过诱导获得对铝胁迫不敏感的拟南芥突变体,鉴定和筛选参与铝胁迫信号转导和AtALMT1表达转录因子的相关基因。主要研究结果为:
  利用甲基磺酸乙酯(EMS)诱导携带绿色荧光蛋白(GFP)AtALMT1启动子的转基因拟南芥,使其产生突变且引起AtALMT1的表达异常,筛选出7个对铝不敏感的拟南芥突变体。通过对比铝离子胁迫拟南芥突变体与野生型的表型差异,发现突变体在根和下胚轴生长上受抑制的程度不同,其中MD1下胚轴长度受到显著抑制,MD4、MD5、MD6、MD7则显著抑制根系生长,而MD2和MD8未能观察到生长明显受抑制。
  通过检测7个突变体的苹果酸释放量、AtALMT1表达量及铝胁迫相关基因(CAMTA2、STOP1、ALS3、MATE)的表达量,发现除MD5以外,其它突变体中苹果酸的分泌量明显降低,AtALMT1的表达量也有不同程度下降。根据前人有关铝诱导拟南芥AtALMT1的表达归类为早期调控和晚前调控两个阶段,本研究筛选的铝敏感型突变体MD4、MD6、MD7归类为早期调控,MD1、MD2、MD5、MD8归类为晚期调控。
  在吲哚乙酸(IAA)和脱落酸(ABA)处理下,突变体的AtALMT1表达量受到不同程度抑制,其中突变体MD4、MD6、MD7与IAA诱导型表达相关,MD1、MD4、MD6与ABA诱导型表达相关。分析铝离子处理下突变体的转录组,结果显示参与铝胁迫信号转导和转录因子活性调控的ALS3、MATE、PLT3、SUL TR3等基因在MD4和MD5中被抑制,这与野生型和STOP1突变体有明显的差异。
  利用根长和下胚轴长的性状分离,筛选人工杂交获得的铝不敏感型突变体F2代和BC代群体进行图位克隆研究,结合AtALMT1表达和相关分子标记,对5个突变体的突变位点进行了粗略定位。根据分子标记连锁分析,得出MD1的突变位点在第四染色体前半段,物理图距为5.2Mbp;MD4、MD6和MD7的突变位点分别位于第一染色体后半段的不同标记处,物理图距分别为20.9Mbp和27.6Mbp;MD5的突变位点有两个,分别位于第二染色体末端和第五染色体中部,物理图距分别为14.7Mbp和19.5Mbp。
  进一步对铝不敏感型突变体进行InDel(插入缺失多态性)分子标记和PCR精确定位研究。得出MD1在第四染色体上突变位点的范围为5.15Mbp至6.14Mbp之间,MD5在第二染色体上突变位点的范围为14.7Mbp至15.8Mbp之间。结合全基因组测序(NGS)结果,分析得到MD1的4个突变候选基因和MD5的14个突变候选基因。筛选这些基因的纯合T-DNA敲除株系,并研究铝胁迫下它们的表型特征和AtALMT1表达量,结果表明,MEKK3、CRY1和PGM可能参与调控拟南芥中AtALMT1的表达。
  根据以上结果,提出AtALMT1表达的调控模型,阐明筛选出的7个突变体在AtALMT1表达调控中早期阶段和晚期阶段的关系。研究结果为深入探明植物耐受铝胁迫的分子机制和遗传分析奠定了基础。
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