MdFRK2过量表达对苹果抗旱性的影响
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：安贵阳;李明军
授予年度：2020年
学科分类：09[农学] 0902[农学-园艺学] 090201[农学-果树学]
摘 要：可溶性糖作为植物体内重要的信号分子和渗透调节物质,参与了植物对多种逆境的响应,其含量受糖代谢相关基因的高度调控。果糖激酶(FRK)是调控果糖含量的关键酶,在苹果中,Md FRK2是决定FRK活性的关键基因,其表达受干旱胁迫的诱导。为了探明Md FRK2与植物抗旱性的关系及其调控抗旱性的机理,本论文以过量表达Md FRK2的‘GL3’苹果苗为材料,采用盆栽和PEG6000模拟两种干旱处理方式,结合生理和转录组分析,分析了Md FRK2转基因苹果苗的抗旱性及其机理。同时,为了进一步探明Md FRK2与抗旱性的关系,分析了Md FRK2启动子的活性,构建了自身启动子表达载体,并转化杨树,为进一步解析Md FRK2的抗旱功能奠定基础。本试验主要结果如下:1.盆栽苗和水培苗的干旱处理结果表明:过量表达Md FRK2增强了‘GL3’苹果苗的抗旱性。正常处理条件下,转基因苹果苗和野生型苹果苗在叶片和根系的形态特征上无明显差异,但在干旱胁迫条件下,转基因苹果苗抗旱性显著增加,转基因苹果苗叶片净光合速率和叶片含水量明显高于野生型苹果苗,而反应叶片保水能力的气孔导度和蒸腾速率却显著高于野生型苹果苗。对苗根系的进一步分析发现,转基因苹果苗在干旱条件下,转基因苹果苗的根系总长、根系表面积、根系体积和根尖数显著高于野生型苹果苗。以上研究结果表明,过量表达Md FRK2的苹果苗抗旱性的增加与其在干旱条件下能维持较好的根系生长有关。2.为进一步探明过量表达Md FRK2的苹果苗抗旱性增加的机制,我们对苹果苗根系进行了转录组分析。研究结果表明:转基因苹果苗在干旱胁迫下参与糖代谢过程、激素信号通路、根系生长发育的相关基因均发生了变化。干旱处理后,差异基因主要在植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、氨基糖和核糖代谢、氨基酸生物合成、碳代谢、苯丙烷生物合成和糖酵解/糖异生途径中大量富集。FRK、SDH、SUT和SOT相关基因的表达量均被干旱胁迫诱导上调,而Invertase相关基因表达量下调。相比于野生型苹果苗,转基因苹果苗中HK、SUSY、SPS的表达量上调幅度更大,这暗示着FRKs的过量表达增强了干旱胁迫下转基因苹果苗根系中糖的利用能力,这与转基因苹果苗干旱条件下根系中的果糖、葡萄糖、蔗糖和山梨醇的含量显著低于野生型苹果苗,碳水化合物未发生大量积累等有关。激素相关差异基因主要集生长素信号通路,其中SAUR家族基因的变化最为显著,相应的干旱条件下转基因苹果苗根系中有较高含量的生长素,同时参与根毛伸长、根系发育、侧根形态发生有关的基因也上调。这些结果表明,转基因苹果干旱条件下维持较好的根系生长与高效的CHO代谢及生长素信号有关。3.为探明过量表达Md FRK2的苹果苗抗旱性的增加与根系的关系,我们以过量表达Md FRK2的苹果为砧木嫁接‘富士冠军’,研究嫁接苗抗旱性的变化。发现,正常供水情况下,嫁接苗的地上部分和根系的形态均未发生明显变化,但长期中度干旱胁迫后,以转基因苹果苗为砧木的植株表现出更强的抗旱性,其根系长度和数量明显高于以野生型植株为砧木的对照。这些结果证明,过量表达Md FRK2的苹果苗抗旱性的增加与干旱条件下根系的生长有关。4.为进一步探明Md FRK2与抗旱性的关系,我们对Md FRK2启动子Md FRK2p在干旱胁迫的活性、表达模式进行分析,并利用自身启动子进行了模式木本植物杨树的转化试验。Md FRK2p的活性分析表明:在烟草叶片中,Md FRK2p受干旱诱导;在杨树中,Md FRK2p主要在在茎尖、衰老的叶片和根系中表达,在幼叶和功能叶中不表达;茎尖石蜡切片结果表明,Md FRKp在杨树的维管组织中表达。Md FRK2p的活性与表达部位暗示着Md FRK2一方面通过影响维管组织的发育来增强对水分的疏导能力,另一方面通过影响地上部和根系的生长发育发挥抗旱作用。通过构建Md FRK2自身启动子载体转化杨树发现:Md FRK2在杨树茎段的不同部位表达量不同,在形成层和初生木质部的表达量最高;在杨树地上部的不同部位,糖含量也不相同,在茎尖和茎段的形成层和初生木质部,可溶性糖含量增加,相反,在老叶中,可溶性糖含量下降;Md FRK2过量表达增强了杨树叶片的光合作用能力,加快了杨树的生长,并且促进了杨树茎段维管组织的发育,增强了干旱胁迫下茎段对水分的疏导作用。
同方学位论文库