不同氮效率小麦TaGS同工酶基因表达特点

作     者：王露露 

作者单位：河南农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马新明

授予年度：2021年

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

主      题：小麦 GS同工酶 转录 启动子 表达特点 

摘      要：谷氨酰胺合成酶是小麦氮同化关键酶,包括胞液型（TaGS1）和质体型（TaGS2）两类,其中TaGS1又分为TaGS1（TaGS1.1）、TaGSr（TaGS1.2）和TaGSe（TaGS1.3）,小麦是异源六倍体,有A、B、D三个染色体组,每组染色体都有一套TaGS同工酶基因。为了研究异源六倍体小麦A、B、D染色体组TaGS同工酶表达差异及调控机制,本项目测定了不同氮处理对氮高效品种豫麦49（YM49）和氮低效品种西农509（XN509）不同器官TaGS同工酶的活性、亚基表达水平及A、B、D染色体组TaGS同工酶转录水平的影响。依据中国春基因组序列克隆并分析了YM49的12个TaGS同工酶启动子,构建了12个TaGS同工酶启动子双元表达载体并导入拟南芥,对12个TaGS同工酶启动子活性进行了分析。主要结果如下:1.不同氮效率小麦品种TaGS1、TaGSr、TaGSe、TaGS2蛋白亚基时空表达分析显示,胞质型TaGS1在各器官中表达量均随生育期递进而降低,在叶和叶鞘中表达量最高,在茎（穗下节）和籽粒中表达量最低,在低氮处理下表达量较高,YM49表达量低于XN509;TaGSr主要在穗轴中表达,在高氮处理下表达量较高且随生育期递进而升高,两个氮效率小麦品种的差异不明显,低氮条件下,YM49的表达量低于XN509;TaGSe主要在籽粒中表达,不同品种、不同生育时期及不同氮水平对TaGSe表达量影响不明显。质体型TaGS2与源器官中氮素同化运转相关,主要在叶及叶鞘中表达,均在开花期表达量最高,之后随生育期递进而降低,均在高氮条件下表达量较高,氮高效品种YM49的表达量高于XN509。2.不同氮效率小麦品种TaGS同工酶在转录水平上时空表达分析显示,TaGS同工酶基因表达存在组织特异性,且同一TaGS同工酶在A、B、D染色体上表达存在差异。在6A染色体上主要TaGS1基因表达;在4A、4D染色体上主要TaGSr基因表达;在4B染色体上TaGSe基因表达量最低,在4A、4D染色体上表达差异不明显。除籽粒外,YM49的TaGS同工酶基因表达与施氮量呈正相关,XN509与施氮量呈负相关;籽粒中YM49及XN509的TaGS同工酶基因表达均与施氮量呈负相关。低氮条件下YM49的TaGS同工酶基因表达量低于XN509,高氮条件下高于XN509,且差异达显著水平。TaGS1基因在开花期的旗叶及穗轴表达量最高,在花后16d的叶鞘、茎（穗下节）和籽粒中表达量最高;TaGSr在花后16d的茎（穗下节）和轴中表达量最高,旗叶中在花后16d表达量出现一个小高峰而后降低,花后30d再次升高;TaGSe在花后16d籽粒中表达量最低,之后随生育期递进而升高;TaGS2主要在绿色器官旗叶、叶鞘、茎（穗下节）中表达,在2A、2D染色体上表达量均在开花期表达量最高并随生育时期的递进而降低。3.基因表达受启动子调控,对TaGS同工酶12个启动子克隆及序列分析显示,除了共有的基本调控元件CAAT-box和TATA-box外,不同启动子上的顺式元件种类、数目、排列顺序不同。综合三代测序与启动子序列分析显示,不同染色体组的TaGS1、TaGSr和TaGSe基因转录起始位点位于ATG上游约–88 bp～–249 bp,TaGS2基因在A、B、D染色体上的转录起始位点距ATG最远,约–111 bp～–631 bp。将TaGS同工酶启动子转入拟南芥,GUS染色及转录分析表明:TaGSr基因启动子的活性最高;TaGS1基因在A、B、D染色体上的启动子活性依次为6A6D6B;TaGSr在A、B、D染色体上的启动活性依次则为4A4D4B;TaGSe在不同染色体上的启动活性依次为4B4D4A;TaGS2在A、B、D染色体上的启动子活性依次为2A2D2B。TaGS同工酶在不同器官表达的特异性及不同染色体上表达差异受启动子调控,不同TaGS同工酶启动子顺式元件种类、数目及排列顺序均不同,为进一步研究GS同工酶调控机制奠定了基础。