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黄瓜苋科凝集素基因的表达分析与逆境调控
植物学报
2021, 56 (2):
183-190.
DOI: 10.11983/CBB20177
凝集素是一类具有特异性糖结合活性的蛋白质, 通常具有1个或多个非催化的糖结合结构域。凝集素在植物对病原菌的防御反应中发挥重要作用。由于其抗细菌、真菌、病毒和昆虫等的活性, 凝集素在农业和生物医药领域都具有很大的应用潜力。作为最小的凝集素家族之一, 苋科凝集素的研究较少。该文通过对重要经济作物黄瓜(Cucumis sativus)的基因组进行分析, 对16种苋科凝集素基因在黄瓜基因组中的分布和位置进行研究, 并分析相关基因的外显子/内含子组成。进一步通过启动子分析, 阐明了苋科凝集素基因对非生物胁迫的响应情况。最后, 通过实时荧光定量PCR, 检测了黄瓜中4种苋科凝集素基因对低温、高盐、干旱和ABA处理的响应情况。研究结果可为揭示苋科凝集素的生理功能及其在植物胁迫响应中的作用提供参考。  View image in article
图4
不同胁迫处理后黄瓜苋科凝集素基因的表达水平
(A)低温处理; (B)高盐处理;(C)干旱处理; (D)脱落酸处理。柱状图代表了2次生物学重复的平均值和标准偏差, 每个重复中包含实验组与对照组各4株植物; 星号表示处理组与对照组之间的统计学显著性(* P<0.05, ** P<0.01, ***P<0.001)。
正文中引用本图/表的段落
为进一步验证启动子分析的结果, 我们利用实时荧光定量PCR对苋科凝集素基因在植物经不同胁迫处理后的表达水平变化进行了研究。对2周龄黄瓜幼苗进行低温、高盐、干旱胁迫和脱落酸处理, 在处理后的不同时间点分析4种黄瓜基因(CucsaAAT4、Cucsa- NAAT1、CucsaAAT9和CucsaAAT14)的转录水平, 以未处理的幼苗作为对照(图4)。所有数据均为处理组/对照组的相对表达水平。
经低温处理后, 黄瓜幼苗在3小时后即呈现出萎蔫脱水的症状。叶片首先出现轻微受害症状, 叶缘发黄, 并随处理时间的增加叶片出现逐渐增大的脱水斑, 24小时后叶片出现大面积脱水斑, 冻害严重。转录水平上, 在低温处理3小时后可以检测到Cucsa- NAAT1和CucsaAAT9的表达水平上调, 而Cucsa- AAT4和CucsaAAT14的转录水平在24小时内未发生显著变化(图4A)。其中, CucsaAAT9的转录水平在处理1小时后即发生显著上调(2倍), 而CucsaNAAT1的转录水平在3小时后发生显著上调。
高盐处理会扰乱植物的渗透压平衡和离子平衡, 同时, 过量盐分会抑制和诱导多种酶系统的表达和活力, 进而影响植物的正常生长。经200 mmol?L-1 NaCl处理12小时后, 黄瓜幼苗根系侧根数目和长度相比对照组明显受到抑制, 并且随着时间的推移差别逐渐增大, 同时叶缘出现发黄现象。转录水平上, 除CucsaAAT4外, 另3种苋科凝集素基因的转录水平均发生明显上调(图4B)。尤其是CucsaNAAT1在高盐处理3小时后转录水平上调超过100倍, 然后在6小时达到最高水平, 表达上调超过200倍。CucsaAAT9的表达也发生了类似变化, 其表达水平在处理6小时后上调约50倍, 并且在处理后24小时仍保持约20倍上调表达。此外, 在高盐处理3小时后, CucsaAAT14的表达水平上调了4.7倍, 但之后逐渐恢复到正常水平。
我们通过在植物培养液中加入100 mmol?L-1甘露醇模拟干旱逆境。干旱处理后, 植物叶片表型改变最为显著, 6小时后黄瓜叶片出现轻度脱水, 并在12小时后叶片面积出现萎缩, 24小时后黄瓜幼苗叶片脱水严重并且发黄萎缩, 表现出显著的生长受抑制。黄瓜叶片经干旱处理6小时后, 所有黄瓜苋科凝集素基因均发生不同程度的上调表达(图4C)。其中, CucsaAAT4表达上调1.7倍, 而CucsaNAAT1表达上调近30倍。
当黄瓜幼苗经脱落酸处理后, 未观察到明显的表型变化, 而苋科凝集素基因表达水平的变化与干旱处理后非常类似(图4D), 这可能是由于ABA在植物对干旱胁迫的响应过程中发挥重要作用, 其在植物干旱胁迫时也会发生累积。
本文的其它图/表
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