杨树UPB1基因调控树木生长速度的分子机制

发布时间：2020-09-11 20:10

　　 植物的生长具有可塑性,作为不可移动的光合有机体,植物可以根据周围环境因素的变化来调节自身的发育。然而,植物通过适应周围环境来调节自身细胞生长发育的机制目前仍然不清楚。树木作为世界上重要的生物能源,同时还对生态环境的保护起到关键的作用。鉴于树木在世界上的重要性,本研究通过分子生物手段结合其它生物学技术找到调控树木生长的优良基因,并对其功能进行研究。得到的主要结果如下:(1)杨树初生生长及次生生长的幼茎蛋白质组学研究结果显示,总共鉴定到10,316个蛋白质,其中3,106个蛋白质的表达量在初生生长和次生生长的过程中发生显著变化。这些显著变化的蛋白质参与多种生物学途径,除信号、激素、细胞壁合成与降解、次生代谢、碳水化合物和能量代谢、蛋白质的合成与降解代谢外,细胞周期和细胞分裂以及氧化还原代谢在初生生长向次生生长转换的过程中也发挥重要的作用。(2)前期实验结果表明在银腺杨中发现2个bHLH家族转录因子,氨基酸序列分析结果显示它们是拟南芥UPB1在杨树中的同源蛋白(同源性较低),命名为PagUPB1-1和PagUPB1-2。实时荧光定量qRT-PCR结果表明PagUPB1-1和PagUPB1-2具有相同的表达模式,均在顶芽、初生生长的茎及根尖中高量表达,而在次生生长剧烈的成熟组织中低量表达。(3)原位杂交结果显示PagUPB1基因定位在维管发生的初始组织或细胞中,包括叶原基、茎顶端分生组织、侧生分生组织、原形成层、初生韧皮部、初生木质部、后生韧皮部、后生木质部、韧皮部细胞、根尖的表皮细胞、根的中柱鞘以及侧根的维管束细胞。(4)构建5个植物表达载体,包括4个PagUPB1基因的过表达载体和1个干扰表达载体。通过农杆菌介导法将其分别转入银腺杨,获得大量的过表达和干扰表达阳性植株。(5)生理数据分析结果显示杨树UPB1干扰植株的株高、茎节数、节间距、茎节直径、主根数、侧根数及干重指标均高于非转基因植株;而树UPB1过表达植株则低于非转植株,说明UPB1基因表达量的上调抑制植物的生长,而UPB1基因表达量的下调促进植物的生长。杨树UPB1转基因植株进行持续的观察结果显示各株系均未出现畸形的表型。(6)徒手切片和半薄切片结果显示,与非转基因植株相比,杨树UPB1干扰植株茎顶端分生组织细胞数目多,茎节提前进入次生生长阶段;而杨树UPB1过表达植株茎顶端分生组织细胞数目少,茎节的次生生长受到抑制。说明杨树UPB1基因表达的高低可以影响分生组织、原形成层以及形成层细胞的分化和次生木质部母细胞的分裂速度。(7)DAB和NBT的染色结果显示,过氧化氢以及超氧根阴离子在杨树茎中的顶端分生组织、叶原基、原形成层、初生韧皮部、初生木质部等细胞积累,这与杨树UPB1基因在组织中的定位完全吻合。此外,本研究还发现外界刺激,如干旱和PEG诱导的干旱均可以诱导杨树UPB1基因的表达。推测杨树UPB1可能是维管植物进化过程中监控内部和外部信号产生活性氧水平的基因。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：Q943.2;S792.11
【部分图文】：

§邋Ｓ！邋Ｍ邋0逡逑Ｚｙｇｏｔｅ邋２－ｃｅｌｌ逦１６－ｃｅｌｉ邋Ｅａｒｌｙ邋ｇｌｏｂｕｌａｒ逦Ｇｌｏｂｕｌａｒ逦Ｅａｒｉｙ邋ｈｅａｒｔ逡逑图１－２胚胎发育阶段原形成层的建立［１（）］逡逑上层的细胞（黄色）保持等径分裂，伸长的细胞（紫色）成为原形成层逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｒｏｃａｍｂｉｕｍ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｅｍｂｒｙｏｇｅｎｅｓｉｓ逡逑Ｃｅｌｌｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｕｐｐｅｒ邋ｔｉｅｒ邋（ｙｅｌｌｏｗ）邋ｓｔａｙ邋ｉｓｏｄｉａｍｅｔｒｉｃ．邋Ｅｌｏｎｇａｔｅｄ邋ｃｅｌｌｓ邋（ｐｕｒｐｌｅ）邋ｂｅｃｏｍｅ邋ｐｒｏｃａｂｉｕｍ．逡逑－２－逡逑

侧生组织的形成以及顶端的生长产生细胞。逡逑茎顶端分生组织分为三个不同的区域：中央区、周边区以及肋区。在中央区，多功逡逑能性干细胞以及组织中心一起组成干细胞巢（图１－３Ａ）。这些干细胞通过细胞的不对称逡逑分裂持续不断地产生子一代细胞以及它们的后代细胞，随后这些细胞被周边区所取代，逡逑被招募进入侧生器官原基［１１］。在根顶端分生组织，干细胞是单独的一层围绕在静止中心逡逑的细胞，这些干细胞的子代细胞根据所在位置的不同，将存在不同的细胞命运（图１－逡逑３Ｂ）。在顶端分生组织中，组织中心以及静止中心发挥干细胞巢的作用，维持毗邻的干逡逑细胞的稳态［１２］。除了茎顶端分生组织和根顶端分生组织中的干细胞，维管干细胞，通常逡逑被称为原形成层和形成层也在维管植物中形成了（图１－３Ｃ）。逡逑Ａ邋Ｓｈｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｓｒｉｓｔｅｍ邋（ＳＡＭ）逦Ｂ邋Ｒｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｓｒｉｓｔｅｍ邋（ＲＡＭ）逦Ｃ邋Ｐｒｏｃａｍｂｉｕｍ／ｃａｍｂｉｕｍ逡逑ＰＺ逦Ｐ２逡逑／邋；邋／逡逑—逦．、邋／逡逑＿瞧画酬逦’逦１逦Ｐｈｌｏｅｍ逡逑图１－３茎顶端分生组织、根顶端分生组织以及维管形成层中干细胞巢的组成［６］逡逑（Ａ）茎顶端分生组织；（Ｂ）根顶端分生组织；（Ｃ）维管形成层。逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｅｍ邋ｃｅｌｌ邋ｎｉｃｈｅ邋ｉｎ邋ｓｈｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｒｉｓｔｅｍ，邋ｒｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｒｉｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋ｖａｓｃｕｌａｒ逡逑ｃａｍｂｉｕｍ．邋（Ａ）邋ｓｈｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｒｉｓｔｅｍ；邋（Ｂ）邋ｒｏｏｔ邋ａｐｉｃａｌ邋ｍｅｒｉｓｔｅｍ

逡逑更为狭窄的辐射状细胞直径（图１－４Ｂ）。在木质部和韧皮部细胞分化的过程中，木质部逡逑和韧皮部中间的一些细胞仍然维持它们的分生组织状态，一直具有形成束中形成层的能逡逑力。然而，在玉米、水稻以及其它禾本科植物中，除原形成细胞分化为木质部和韧皮部逡逑细胞外，在初生维管组织中没有发现其它保留分生能力的细胞存在［１５］。逡逑１．２．３维管组织的次生生长逡逑随着束中形成层的不断发育，大约在距离茎顶部６０邋ｍｍ位置，植物茎开始逐渐增逡逑粗，在这个过程中，夹在维管束之间的射线组织中的一部分薄壁细胞，重新恢复细胞分逡逑裂的能力，形成束间形成层（图１－４Ｃ）。当束中形成层和束间形成层细胞衔接在一起逡逑后，形成完整的“环状”维管形成层。形成层存在不经过分化直接通过分裂产生子一代逡逑细胞的原始细胞。这些原始细胞在分化之前经过分裂产生次生维管组织特化的细胞类型逡逑［１６］。形成层原始细胞有两种类型：射线原始细胞和纺锤状原始细胞［１７］。射线原始细胞几逡逑乎是等直径的

本文编号：2817118