棉花GhPHOT2-1調(diào)節(jié)植物葉綠體運(yùn)動的功能分析.pdf

1、棉花是世界上最重要的的經(jīng)濟(jì)作物之一，能夠為人們的生活提供豐富的纖維及油料資源。盡管人們很早就種植棉花并對其進(jìn)行馴化，但是如何利用分子育種的手段提高棉花的產(chǎn)量及品質(zhì)仍然是當(dāng)前迫切需要解決的問題。目前，我國大量種植的棉花主要是陸地棉。陸地棉（AADD）是四倍體植物，其基因組比較復(fù)雜，使得對其進(jìn)行分子育種存在一定的困難。亞洲棉（AA）和雷蒙德氏棉（DD）是二倍體植物，分別在印度或南美洲部分地區(qū)種植，亞洲棉和雷蒙德氏棉全基因組測序完成的時間較早

2、，所以早期對棉花基因的研究主要依賴于雷蒙德氏棉和亞洲棉的基因庫。近年來，隨著四倍體陸地棉全基因組測序的完成，使得對陸地棉的研究成為可能。
　　作為一種植物發(fā)育必不可少的環(huán)境因素，光對植物的生長發(fā)育起到了至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。植物感應(yīng)光的受體有向光素、光敏色素、隱花色素以及 UV8等，通過這些光受體，植物可以整合不同的光信號，調(diào)節(jié)其生長發(fā)育。其中，藍(lán)光受體向光素在模式植物擬南芥中功能的研究比較深入，向光素1（PHOT1）和向光素2（P

3、HOT2）主要參與調(diào)節(jié)植物的運(yùn)動反應(yīng)，包括植物向光性、葉綠體運(yùn)動，氣孔運(yùn)動以及子葉伸展等。PHOT2包括兩個光、氧和電壓敏感區(qū)LOV1、LOV2和Ser/Thr蛋白激酶區(qū)。研究證實LOV區(qū)在受到藍(lán)光誘導(dǎo)后，F(xiàn)MN和胱氨酸39形成共價化合物改變蛋白構(gòu)象，從而激活蛋白激酶區(qū)引起植物受體的自磷酸化，引起植物一系列的生理生態(tài)反應(yīng)。本文主要探討PHOT2在植物葉綠體運(yùn)動調(diào)控作用。
　　論文首先在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的陸地棉數(shù)據(jù)庫中利用擬

4、南芥AtPHOT2氨基酸序列進(jìn)行 BLAST（ http://cgp.genomics.org.cn/page/species/index.jsp），獲得棉花GhPHOT2亞家族共九條基因的氨基酸序列，分別為CotAD_09562（A基因組九號染色體）、CotAD_12100（D基因組十三號染色體）、CotAD_13007（A基因組八號染色體）、CotAD_29566（D基因組三號染色體）、CotAD_33323（位置不明）、CotAD

5、_33403（A基因組十三號染色體）、CotAD_58277（位置不明）、CotAD_60197（A基因組五號染色體）、CotAD_70827（A基因組八號染色體）。經(jīng)過生物信息學(xué)分析，選定一條與擬南芥AtPHOT2氨基酸序列的同源性高達(dá)66％的陸地棉基因CotAD_58277作為研究對象，生物信息學(xué)分析表明該基因具有兩個PAS結(jié)構(gòu)域和一個蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，把該基因命名為GhPHOT2-1，并進(jìn)行深入的研究。
　　通過構(gòu)建GhPHO

6、T2-1超表達(dá)載體并通過農(nóng)桿菌侵染擬南芥phot2突變體，我們獲得了重新具有葉綠體運(yùn)動功能的回補(bǔ)株系，證明了棉花基因GhPHOT2-1在擬南芥中可以控制葉綠體的避光運(yùn)動。同時，通過侵染擬南芥phot1phot2雙突變體，我們獲得在強(qiáng)藍(lán)光下下胚軸向光彎曲的株系，確認(rèn)了棉花基因GhPHOT2-1具有控制下胚軸向光彎曲的功能。通過構(gòu)建GhPHOT2-1的GFP載體并進(jìn)行亞細(xì)胞定位分析，我們發(fā)現(xiàn)棉花基因GhPHOT2-1和擬南芥AtPHOT2的

7、亞細(xì)胞定位一致，都定位在細(xì)胞膜和葉綠體膜上，并且GhPHOT2-1與AtPHOT2都在藍(lán)光的介導(dǎo)下發(fā)生遷移現(xiàn)象，向細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)移，盡管其轉(zhuǎn)移程度存在差異。通過對phot2突變體和回補(bǔ)材料實施強(qiáng)光照射，我們發(fā)現(xiàn)，突變體葉片受到傷害，而回補(bǔ)材料的葉片可以避免此傷害。同時，對 wt、phot2、phot1phot2和回補(bǔ)材料在PSII階段的光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）測定結(jié)果表明，棉花GhPHOT2-1基因能夠使突變體的光能轉(zhuǎn)化效率回補(bǔ)至 wt水

8、平。此外，我們也通過 VIGS技術(shù)對GhPHOT2-1在棉花中響應(yīng)光的功能進(jìn)行了驗證。我們發(fā)現(xiàn)，得到的GhPHOT2-1沉默植株葉片葉綠體在強(qiáng)藍(lán)光照射下沒有避光能力，葉片出現(xiàn)了斑狀損傷。另一方面，棉花GhPHOT2-1超表達(dá)株系的葉片透光率在白天顯著高于野生型和基因沉默型，而且，超表達(dá)株系的平均棉鈴重和纖維長度都優(yōu)于野生型。以上結(jié)果表明，GhPHOT2-1基因在棉花中起到了避免葉片受到強(qiáng)光傷害的作用，并在一定程度上有助于提高植物體光合效