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Genomic analysis of isopentenyltransferase genes and functional characterization of TaIPT8 indicates positive effects of cytokinins on drought tolerance in wheat

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The Crop Journal 2023年第1期11卷 46-56页

作者： Na Wang Jun Chen Yuan Gao Yongbin Zhou Ming Chen Zhaoshi Xu Zhengwu Fang Youzhi Ma Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry/College of Agriculture Yangtze UniversityJingzhou 434000HubeiChina Institute of Crop Sciences Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic ImprovementKey Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Triticeae CropsMinistry of AgricultureBeijing 100081China

Cytokinins(CKs)function in plant development and during stress responses,but their role in drought tolerance in wheat is unknown.In the present study,24 isopentenyltransferase(IPT)genes,encoding ratelimiting enzymes in CK biosynthesis were identified in the wheat genome.The chromosomal locations and structures of the genes,protein properties,and phylogenetic relationships were characterized.ATP/ADP TaIPT genes showed tissue-specific expression.TaIPT2,TaIPT7,and TaIPT8 expression was rapidly induced by 0.5–1 h drought treatments,which decreased to low levels after 2 h drought treatment,as did most other TaIPT genes.TaIPT8-5a/5b/5d triple mutants showed decreased levels of tZtype CK under normal and drought conditions and reduced drought tolerance,which,however,did not manifest as phenotype alterations.By contrast,transgenic wheat plants with drought-induced TaIPT8showed increased drought tolerance.Our study provides a foundation for further investigation of TaIPT genes and novel insights into the role of CKs in the drought response of wheat.

关键词： TaIPT Phytohormone Abiotic stress Cytokinin biosynthesis Wheat

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小麦异戊烯基转移酶基因家族的生物信息学分析和TaIPT8的抗旱功能鉴定

小麦异戊烯基转移酶基因家族的生物信息学分析和TaIPT8的抗旱功能...

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作者：王娜长江大学

学位级别：硕士

小麦含有蛋白质、脂肪、维生素等丰富的营养物质,是世界上最重要的粮食作物之一,养活着世界上大量的人口。此外,面粉还可以作为原材料用于食品加工和饲料加工,小麦在农业生产中占有重要地位。随着全球气温的升高和不同用途对水资源的争... 详细信息

小麦含有蛋白质、脂肪、维生素等丰富的营养物质,是世界上最重要的粮食作物之一,养活着世界上大量的人口。此外,面粉还可以作为原材料用于食品加工和饲料加工,小麦在农业生产中占有重要地位。随着全球气温的升高和不同用途对水资源的争夺加剧,干旱已成为影响小麦产量和生长的主要因素,水分胁迫很大程度上限制了小麦的生长和生产力。为适应环境的变化,植物进化出敏感的保护系统,其中植物激素是保护系统中的重要组成部分,微小含量的植物激素也可以在传递与胁迫相关的信号中发挥重要作用。在许多物种中,细胞分裂素(CKs)已被证实可以通过增强光呼吸、保护植物光合系统、延缓叶片衰老等方式提高植物耐旱性,在植物抗旱性研究中受到广泛重视。此外,水分胁迫期间提高细胞分裂素合成基因IPT表达可以改变源库关系从而减少产量损失。然而CK与小麦抗旱性之间的相互作用尚不完全清楚。本文通过调控细胞分裂素合成关键基因IPT(isopentenyltransferase)表达,解析细胞分裂素在小麦抗旱中发挥的作用。主要研究结果如下:1.小麦IPT家族成员生物信息学分析。细胞分裂素(CKs)在植物的生长发育和逆境响应过程中发挥着重要作用,本研究中,我们根据已报道的小麦、大麦、拟南芥和水稻的IPT基因家族成员,从小麦的基因组中鉴定到了24个IPT基因。此外,我们还对这24个基因的染色体位置、基因结构、蛋白质特性、系统发育关系、保守基序(motif)和顺式作用元件进行了分析。染色体定位表明24个TaIPT不均匀地分布在15条染色体上,4A、4B、4D、6A、6B和6D染色体上没有鉴定到IPT基因。基因结构分析表明,大部分的TaIPT都缺乏内含子,TaIPT4-2A/2B/2D含有较多的内含子。系统进化树将小麦、大麦、拟南芥和水稻共50个IPT共分成4个组,TaIPT4-2A/2B/2D和TaIPT9-7A7/B/7D与参与tRNA异戊烯化的AtIPT2、AtIPT9、OsIPT9和OsIPT10密切相关,TaIPT2-1B和TaIPT8-5A/B/D与AtIPT3、5和7的关系最密切,AtIPT3、5和7主要影响拟南芥iP-和tZ型的形成。启动子区域顺式作用元件分析表明,小麦IPT基因启动子区域含有多种胁迫响应和植物激素响应类顺式作用元件,如ABA响应元件(ABRE)、MEJA响应元件(TGACG-motif,CGTCA-motif)、干旱诱导元件(MBS)以及防御和应激反应元件(TC-rich repeats)。2.TaIPT表达与功能分析。表达分析表明,ATP/ADP型的TaIPT基因表现出组织特异性表达模式。TaIPT2、TaIPT7和TaIPT8在干旱处理0.5-1h后快速诱导表达,2h后表达量降至较低水平,其他大部分TaIPT基因的表达量也呈现相似的趋势。我们选择了对干旱胁迫响应迅速的TaIPT8做进一步研究。构建了TaIPT8突变体植株和干旱诱导表达植株。功能分析表明,TaIPT8-5a/5b/5d三重突变体在正常和干旱条件下均表现出较低的tZ型CK水平,在干旱处理后,突变体植株与野生型植株相比,失水率并无显著差异,然而MDA、HO和0的含量显著高于野生型,且脯氨酸含量显著低于野生型,表现为耐旱性较低,但在正常情况下的表型不发生改变。相比之下,经干旱诱导的TaIPT8转基因小麦植株在干旱处理后萎蔫程度较低,且复水后能较快恢复,表现为抗旱性增强。我们的研究为进一步研究TaIPT基因奠定了基础,同时也为揭示CKs在小麦干旱响应中的作用提供了新的思路。

关键词： TaIPT 异戊烯基转移酶耐旱性细胞分裂素小麦

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