烟草番茄红素ε-环化酶基因的生物学功能特性研究

作     者：宋卫娜 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：位芳;王燃

授予年度：2021年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 09[农学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 090102[农学-作物遗传育种] 

主      题：烟草 番茄红素ε-环化酶 类胡萝卜素 基因编辑 强光胁迫 

摘      要：在多倍体植物的基因功能研究过程中,高度同源拷贝的存在是一个棘手的问题。长期以来,不同同源拷贝的功能变异以及它们是否获得新功能一直是研究的热点。本论文中,将结合基因编辑技术、生物信息学、代谢组学、植物生理学等技术,分析烟草番茄红素ε-环化酶基因成员Ntε-LCY1、Ntε-LCY2在异源四倍体烟草K326（Nicotiana tabacum）中的功能特性。同时,开展Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因在强光胁迫条件下的生物学功能研究。主要研究结果如下:（1）生物信息学分析表明:异源四倍体烟草Ntε-LCY1和Ntε-LCY2是由祖先种林烟草和绒毛状烟草加倍进化而来。Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因的编码序列的同源性高达87.95%。另外,Ntε-LCY1和Ntε-LCY2与番茄、马铃薯等茄科植物有着较近的亲缘关系。Ntε-LCY1及Ntε-LCY2蛋白在三维空间结构、配体结合位点及酶的活性位点方面存在显著差异。Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因在启动子顺式作用元件方面也有所差异,共同点是Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因均含有若干光响应元件。（2）组织表达模式分析表明:Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因在根、茎、叶、花和嫩果实中均有所表达,但是均在叶片组织中表达水平最高,并且与Ntε-LCY1基因相比,Ntε-LCY2基因在叶片组织中有着较高的表达量。（3）利用基因编辑技术成功创制Ntε-LCY1和Ntε-LCY2纯合突变体材料。为避免基因编辑的脱靶效应,本研究均采用两个平行株系开展表型统计。表型统计结果表明:Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因的突变都能够促进烟草叶片的生长发育,但是后者的效果更为显著。（4）代谢组学分析表明:Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因的突变能够不同程度地提高烟草叶片中叶绿素和各种类胡萝卜素组分的含量。（5）Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因有着不同的响应模式。在正常光照条件下,Ntε-LCY2基因在ntε-lcy1-1中的表达量受到抑制;但是强光2 h能够诱导Ntε-LCY2基因在ntε-lcy1-1中的表达。在正常光照和强光2 h条件下,Ntε-LCY1基因在ntε-lcy2-1中的表达量均受到抑制。（6）在正常光照或强光胁迫条件下,与ntε-lcy1-1相比,Ntε-LCY2基因的突变对类胡萝卜素合成通路上下游相关基因的表达量有着更为显著的影响。（7）Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因的突变均导致烟草植株的光合效率和光保护能力的提高,其光合作用能力和光保护能力大小顺序为ntε-lcy2-1ntε-lcy1-1WT。（8）Ntε-LCY1和Ntε-LCY2基因的突变能够不同程度地降低活性氧的积累量,并且Ntε-LCY2基因的突变更有利于提高烟草植株的抗氧化能力。综上所述,Ntε-LCY基因成员Ntε-LCY1和Ntε-LCY2的表达模式和生物学功能显示出特点,Ntε-LCY2基因的突变更有利于提高叶绿素和各种类胡萝卜素组分的含量,增强烟草植株在强光胁迫条件下的抗逆性。本研究将有助于解析多倍体植物ε-LCY基因同源拷贝的遗传和功能特性,为多倍体作物遗传改良提供参考。