WOX11介导活性氧在水稻冠根发育中的作用机制研究
作者单位：华中农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：赵毓
授予年度：2019年
摘 要：水稻是我国主要的粮食作物,其根系发育与水稻的产量与品质密切相关。冠根是水稻根系的主要组成成分,因此研究水稻冠根的发育调控机制具有十分重要的科学意义和生产应用价值。WOX11(WUSCHEL-related homeobox11)是WUSCHEL-related homeobox家族基因,在水稻冠根发育中起着十分重要的作用。该基因主要在水稻冠根发生后期与根尖分生区表达。过量表达或者敲除该基因都会影响冠根的正常发育。在前期的工作中,我们发现在wox11材料中许多与ROS(Reactive Oxygen Species)相关基因的表达都出现异常,表明WOX11与水稻冠根中的ROS水平相关。尽管目前已经有文章表明ROS参与水稻冠根的发育,但是ROS在其中调控的作用机制还知之甚少。其次,ROS在调控冠根发育中与重要调控因子WOX11之间有无直接关系还不得而知。本研究希望通过解析ROS和WOX11在水稻冠根发育过程中的作用,为水稻的分子育种提高更多的理论基础与基因资源。研究取得的主要结果如下:wox11根尖中的过氧化氢与超氧阴离子含量均减少,同时一些与ROS调控相关的基因表达量下调。这说明在水稻冠根发育中WOX11可能会调控ROS的动态平衡及相关基因的表达。生物信息学分析发现在wox11突变体中下调表达的III型过氧化物酶基因PRX130启动子(距离ATG前711bp)上有一个WOX11蛋白的结合位点。凝胶阻滞、转录激活与免疫染色共沉淀实验进一步证明WOX11在体内和体外都能与PRX130的启动子结合,并激活其表达。qRT-PCR实验表明PRX130在水稻根尖与茎节中表达量较高;原位杂交结果进一步显示该基因在冠根的分生区与冠根原基起始和伸长中特异表达。这表明PRX130可能参与水稻冠根的发育调控。PRX130 CRISPR-Cas9敲除植株prx130 冠根数目明显减少,且长度变短;同时地上部分的生长亦受到抑制。分光光度法检测表明prx130 根尖分生区的过氧化氢含量增多,但是超氧阴离子无明显变化。这表明PRX130是通过调控水稻冠根中过氧化氢的水平而调控冠根的发育。prx130 根尖成熟区中木质素含量减少,该结果表明PRX130可通过影响根尖过氧化氢与木质素的变化从而影响冠根的发育。组织学切片分析发现prx130 突变体植株根尖成熟区皮层细胞不能正常发生凋亡,通气组织发育缓慢。这表明PRX130可能影响水稻冠根的成熟区通气组织的发育。总而言之,以上数据表明WOX11通过激活PRX130表达,进而调控水稻冠根分生区ROS的正常水平,对维持冠根的起始与伸出、成熟区木质素的累积与通气组织的形成具有重要意义。这些结果为进一步完善水稻根发育的调控网络,利用根发育优良性状基因对水稻根系进行分子遗传改良提供理论依据和基因资源。
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