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Overexpression of zxabcg11 from Zygophyllum xanthoxylum enhances tolerance to drought and heat in alfalfa by increasing cuticular wax deposition

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The Crop Journal 2023年第4期11卷 1140-1151页

作者： Linbo Liu Aike Bao Hujun Li Wanpeng Bai Haishuang Liu Ye Tian Yiying Zhao Fangchen Xia Suomin Wang State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems College of Pastoral Agriculture Science and TechnologyLanzhou UniversityLanzhou 730020GansuChina College of Biology Hunan UniversityChangsha 410008HunanChina

Drought and heat stresses cause yield losses in alfalfa,a forage crop cultivated *** its drought and heat tolerance is desirable for maintaining alfalfa productivity in hot,arid *** wax forms a protective barrier on aerial surfaces of land plants against environmental ***11encodes an ATP binding cassette(ABC) transporter that functions in the cuticular wax transport *** this study,Zx ABCG11 from the xerophyte Zygophyllum xanthoxylum was introduced into alfalfa by Agrobacterium tumefaciens-mediated *** to the wild type(WT),transgenic alfalfa displayed faster growth,higher wax crystal density,and thicker cuticle on leaves under normal *** either drought or heat treatment in greenhouse conditions,the plant height and shoot biomass of transgenic lines were significantly higher than those of the *** alfalfa showed excellent growth and 50% greater hay yield than WT under field conditions in a hot,arid *** of Zx ABCG11 up-regulated wax-related genes and resulted in more cuticular wax deposition,which contributed to reduction of cuticle permeability and thus increased water retention and photosynthesis capacity of transgenic ***,overexpression of Zx ABCG11 can simultaneously improve biomass yield,drought and heat tolerance in alfalfa by increasing cuticular wax *** study provides a promising avenue for developing novel forage cultivars suitable for planting in hot,arid,marginal lands.

关键词： Alfalfa zxabcg11 Cuticular wax Yield Stress tolerance

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霸王ABCG家族基因的克隆及其在逆境响应过程中的表达分析

霸王ABCG家族基因的克隆及其在逆境响应过程中的表达分析

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作者：张婧兰州大学

学位级别：硕士

非生物胁迫如干旱、高温是限制农牧业增产的重要因素之一。发掘优质、高效的抗逆基因资源进而改良牧草及农作物的抗逆性,是解决农牧业增产问题的有效生物途径之一。广泛分布在我国西北及内蒙古荒漠地区的霸王(Zygophyllum xanthoxylum)... 详细信息

非生物胁迫如干旱、高温是限制农牧业增产的重要因素之一。发掘优质、高效的抗逆基因资源进而改良牧草及农作物的抗逆性,是解决农牧业增产问题的有效生物途径之一。广泛分布在我国西北及内蒙古荒漠地区的霸王(Zygophyllum xanthoxylum)具有极强的抗旱性,并且在长期适应荒漠地区高温、强日照及风沙大的严酷生境的过程中,积累了丰富的抗逆基因资源。前期研究发现霸王能够将Na+区域化至液泡中,作为渗透调节剂抵御干旱胁迫。而植物表皮发达的角质层是植物抵御干旱、高温等逆境的重要屏障,且霸王作为一种典型的多浆旱生植物,其表皮角质层十分发达;此外植物激素脱落酸和细胞分裂素在逆境适应中也发挥了重要作用。但表皮角质层及植物激素对于霸王抗逆性贡献的分子机制尚未见报道。因此本文以荒漠旱生植物霸王为材料,分析了-0.5 MPa渗透胁迫与50 mM NaCl处理下霸王转录组及表达谱数据中ABCG转运蛋白亚家族编码基因的情况;克隆了其角质层脂质转运蛋白编码基因zxabcg11全长cDNA序列,对其生物信息学功能进行了分析;并运用实时荧光定量PCR方法,分析了在盐处理、渗透胁迫及高温处理下zxabcg11、脱落酸转运蛋白zxabcg25及细胞分裂素转运蛋白zxabcg14在霸王根和叶中的表达模式,主要结果如下:1、在霸王转录组数据中共发现31条ABCG转运蛋白家族编码基因,其中已知功能的包括参与角质层组分转运的zxabcg11、zxabcg15、zxabcg31和zxabcg32,参与植物激素转运的zxabcg14和zxabcg25,参与木质素单体转运的zxabcg29,参与重金属转运的zxabcg36、ZxPDR12,以及参与次生代谢物转运的ZxPDR1和ZxPDR9和进一步在表达谱数据中分析发现-0.5 MPa渗透胁迫能够诱导zxabcg11,zxabcg14 zxabcg2,和zxabcg29的表达,而50 mM NaCl处理能够显著诱导zxabcg1 1,zxabcg14和zxabcg29的表达。2、霸王zxabcg11编码角质层脂质转运蛋白基因,全长cDNA序列共2416 bp,其中包括开放阅读框2100 bp,共翻译700个氨基酸;其氨基酸序列含有ABC转运蛋白特征基序,且包含核酸绑定结合域以及由6个α螺旋构成的疏水跨膜结构域,属于ABCG亚族半分子转运蛋白;其氨基酸序列亲缘关系与葡萄VvABCG11最高,同源性为85%。3、霸王zxabcg11基因在盐处理、渗透胁迫及高温处理下,均在短时间响应,0.5 h表达量开始上调;在双重胁迫即高温+渗透胁迫处理下,zxabcg11表达量上调幅度最大,相对表达量为对照的8倍,表明zxabcg11基因在霸王响应盐处理、渗透胁迫、高温及高温+渗透胁迫处理中发挥了重要作用。4、50mMNaCl处理下,霸王根和叶中脱落酸转运蛋白基因zxabcg25表达量在6 h下调,而根中细胞分裂素转运蛋白基因zxabcg14,表达量在6 h上调,表明霸王能够适应该盐浓度处理,并通过诱导zxabcg14的表达,分泌大量细胞分裂素促进生长;而在-0.5 MPa渗透胁迫或高温处理下,叶和根中zxabcg25表达量在6或12 h上调,根中zxabcg14表达量下调,推测霸王可能通过增加地上部脱落酸含量,调节气孔关闭,从而减少水分散失,同时降低地上部细胞分裂素含量,以维持体内激素平衡,从而抵抗逆境胁迫。以上结果表明,zxabcg11、zxabcg25及zxabcg14能够分别通过调控霸王角质层组分分泌、脱落酸及细胞分裂素的转运,在霸王抵抗不良生境胁迫的过程中发挥重要作用。

关键词：霸王抗逆性 zxabcg11 zxabcg25 zxabcg14 基因表达

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