擬南芥向水性突變體的篩選及其機理研究.pdf

1、黃夢靜擬南芥向水性突變體的篩選及其機理研究摘 要通過對植物根系向水性的機制研究，能夠為植物的耐旱能力的提高，耐旱植物的選育，農(nóng)業(yè)節(jié)水目標的實現(xiàn)，提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。本文首先比較了甘油海藻酸篩選方法與甘露醇篩選方法在篩選擬南芥向水性突變體過程中的優(yōu)劣，在研究了兩種篩選系統(tǒng)下擬南芥的根生長、根彎曲、根向重性的響應(yīng)與適應(yīng)后，我們認為：在甘油海藻酸篩選系統(tǒng)中，根尖的彎曲表型( 根尖的彎鉤現(xiàn)象) 可以作為擬南芥向水性突變體的篩選指標，而甘露醇

2、向水性篩選系統(tǒng)能從主根伸長的角度篩選向水性突變體。此外，我們還將甘油海藻酸的篩選系統(tǒng)進行了進一步的優(yōu)化，用于擬南芥強向水性突變體的篩選。我們首先利用甘露醇篩選系統(tǒng)對3 6 種不同的生態(tài)型擬南芥，1 4 ．3 ．3 家族成員T - D N A 插入突變株系和1 4 ．3 ．3 蛋白相關(guān)調(diào)控因子T - D N A 插入突變株系，共計2 3 1 種擬南芥株系進行初步篩選，隨后利用甘油海藻酸篩選系統(tǒng)進一步篩選，之后再利用優(yōu)化型甘油海藻酸篩選系統(tǒng)

3、進行最終篩選，從而獲得了表型為根短小、向水性強的擬南芥突變體a h r 2 ( a l t e r e dh y d r o t r o p i cr e s p o n s e2 ) 。a h r 2 根系在甘露醇篩選系統(tǒng)下表現(xiàn)出了一定的耐水分脅迫能力，在優(yōu)化型甘油海藻酸篩選系統(tǒng)下主根表現(xiàn)出了具有逃離水分脅迫的能力。利用非損傷測定技術(shù)對擬南芥強向水性突變體a h r 2 的根系進行了離子組學分析，研究發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下，該突變體與野生型

4、擬南芥W T 相比，能夠保持根部質(zhì)子( 一) 的流向與流速的相對穩(wěn)定。在植物向水性生理的過程中，過氧化氫( H 2 0 2 ) 和生長素( I A A )可能在根生長的維持及其相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中扮演重要角色。采用基因芯片技術(shù)對擬南芥強向水性突變體a h r 2 的根系進行了基因組學分析，該突變體經(jīng)水分脅迫處理后，共有3 4 6 個基因發(fā)生了差異性表達，其中有1 3 5 個基因表達上調(diào)，2 1 1 個基因表達下調(diào)，這些基因涉及多個生理生化

5、過程，其中包括氧化還原反應(yīng)、物質(zhì)代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、物質(zhì)運輸、逆境脅迫響應(yīng)、轉(zhuǎn)錄因子和細胞膜細胞骨架等多個方向和途徑，通過對3 4 6 個基因的初步生物信息學和表達倍數(shù)分析，我們推測絲氨酸／蘇氨酸激酶( A T l G 6 1 5 9 0 、A T l G 6 7 0 0 0 、A T l G 2 1 2 4 0 ) 、A B A 響應(yīng)因子( A T 5 G 0 1 5 4 0 、A T 3 G 2 8 5 8 0 、A T 5 G 6 0

6、 6 6 0 ) 、A T P a s e ( A T 3 G 2 8 5 1 0 、A T 3 G 2 8 5 8 0 ) 、C a + 途徑( A T l G 0 9 0 9 0 、A T 5 G 4 2 3 8 0 、A T 3 G 0 1 8 3 0 ) 、幾丁質(zhì)途徑( A T 4 G 3 4 4 1 0 、A T 2 G 1 7 0 4 0 、A T 2 G 4 3 6 1 0 ) 、乙烯途徑( A T I G l 2 0 1

7、 0 、A T 2 G 4 4 8 4 0 、A T 2 G 2 8 1 6 0 )等相關(guān)基因可能參與了植物根部向水性的調(diào)控過程。黃夢靜擬南芥向水性突變體的篩選及其機理研究A b s t r a c t·B ys t u d y i n gt h em e c h a n i s mo fr o o t h y d r o t r o p i s m ，w e p r o v i d et h e t h e o r e t

8、i c a l a n dt e c h n i c a l s u p p o r t f o r e n h a n c i n g t h e d r o u g h t t o l e r a n c e a b i l i t y o f p l a n t s ，b r e e d i n gd r o u g h t —t o l e r a n t p l a n t s a n d a c h i e v i n gt

9、 h e g o a l s o f a g r i c u l t u r a l w a t e r - s a v i n g ．F i r s t l y , w ec o m p a r e dt w o m e t h o d so f s c r e e n i n gA r a b i d o p s i sh y d r o t r o p i s mm u t a n t s ：t h eg l y c e r i

10、n ／a l g i n i ca c i d s c r e e n i n g m e t h o da n dm a n n i t o l s c r e e n i n gm e t h o d ．A f t e r o b s e r v a t i o no ft h e g r o w t hc u r v a t u r ea n dg r a v i t r o p i cr e s p o n s eo f r o

11、 o t s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec u r v a t u r e - r e s p o n d i n gp h e n o t y p eo f r o o t ( h o o k p h e n o m e n o n o f r o o tt i p ) c a nb eu s e da st h es c r e e n i n gc r i t e r i

12、ai nt h eg l y c e r i n ／a l g i n i ca c i ds c r e e n i n gs y s t e m ，a n dt h el e n g t ho f r o o tc a n b eu s e da st h es c r e e n i n gc r i t e r i a i nt h em a n n i t o l s c r e e n i n gs y s t e m 。M

13、 o r e o v e r , w ei m p r o v et h eg l y c e r i n ／a l g i n i ca c i ds c r e e n i n gs y s t e m f o r s c r e e n i n g A r a b i d o p s i s h y d r o t r o p i s m m u t a n t ．·W ef i r s t l yu s e d t h

14、 em a n n i t o ls c r e e n i n gs y s t e mt o s c r e e nt h e2 3 1 s p e c i e si n c l u d i n g3 6w i l d - t y p ea r a b i d o p s i sl i n e s ，T - D N At a g g e d 1 4 - 3 —3 g e n ef a m i l y m e m b e rl i n

15、 e s a n dT - D N At a g g e d 1 4 —3 —3 一g e n e s - r e l e v a n t r e g u l a t o r l i n e s ．T h e nw ef - H r t h e r s c r e e n e dt h e mb yg l y c e r i n ／a l g i n i ca c i ds c r e e n i n gs y s t e ma n d

16、i m p r o v e dg l y c e r i n ／a l g i n i ca c i d s c r e e n i n gs y s t e m ．F i n a l l y ,w eg o tt h eA r a b i d o p s i sm u t a n to f a h r 2 ( a l t e r e dh y d r o t r o p i cr e s p o n s e2 ) w i t hp h

17、 e n o t y p i co fs h o r t r o o ta n di n c r e a s e d h y d r o t r o p i s m ．T h er o o t o fa h r 2s h o w e dt h e w a t e r - s t r e s s ·r e s i s t a n ta b i l i t yu n d e r t h em a n n i t o l s c r

18、 e e n i n gs y s t e m ，a n ds h o w e dt h ea b i l i t yo f e s c a p i n gf r o mw a t e rs t r e s su n d e r t h e a l t e r e d g l y c e r i n ／a l g i n i ca c i d s c r e e n i n g s y s t e m ．W es t u d i e d

19、t h ei n c r e a s e dh y d r o t r o p i cr e s p o n s e i nt h e r o o t o fa h r 2 b y u s i n gS I T E( s c a n n i n g i o n - s e l e c t i v ee l e c t i v et e c h n i q u e ) ．W ef o u n d t h a tr o o to f a h

20、 r 2 c a l lk e e p t h er e l a t i v e l ys t a b l e f l o w d i r e c t i o n a n dr a t e o fH + ( p r o t o n ) ．D u r i n gt h e p h y s i o l o g i c a lp r o c e s so fr o o th y d r o t r o p i s m ，h y d r o g

21、 e np e r o x i d e ( H 2 0 2 ) a n da u x i n0 A A ) m a y p l a yt h ei m p o r t a n tr o l e si nm a i n t a i n i n g r o o tg r o w t ha n d i t ss i g n a lt r a n s d u c t i o n p a s s w a y s ．·A l s o ，w

22、 e s t u d i e d t h e g e n o m i c s r e s p o n s e o f a h r 2 r o o t u s i n g m i c r o a r r a y c h i p st e c h n o l o g y ．T h e r e s u l ts h o w e d t h a t3 4 6 e x p r e s s e dg e n e s w e r eu p - - r

23、 e g u l a t e do rd o w n ．- r u g u l a t e da f t e rw a t e r s t r e s st r e a t m e n t ．C o m p a r e dt ot h ew i l dt y p eA r a b i d o p s i s ( W T ：C o l 一0 ) ，1 3 5 g e n e sw e r e u p - r e g u l a t e d