调控蔗糖转运蛋白对棉花纤维起始、伸长和种子发育的影响
发布时间：2023-04-22 13:41
棉花是最重要的天然纤维作物。棉花种仁含油量达30%38%,并富含油脂和蛋白质,也是优质食用油和蛋白来源。同步提高棉花纤维和种子的单产、改进棉花纤维品质是我国现阶段棉花育种需要解决的主要问题。然而,棉花纤维由棉花外种皮发育而来,种胚与纤维发育存在碳源竞争的问题。因此,种子产量与纤维产量往往难以同时提高。另外,棉花纤维的产量与品质性状存在遗传上的负连锁,同步提高棉花种子与纤维的产量、改进纤维品质的育种难度更大。蔗糖是高等植物光合产物从“源”向“库”转运的主要形式,并作为信号分子参与了细胞信号的转导,影响作物的经济产量以及品质。糖转运蛋白SUTs以及SWEETs控制了植物中蔗糖的分配与运输。解决种胚与纤维发育之间的碳源竞争矛盾的有效途径是向它们提供充足的碳水化合物,促进棉花纤维和种胚的共同发育。为此,本文研究了蔗糖转运蛋白对棉花纤维和种子发育的影响,通过表达SUTs和SWEETs基因,定向调控蔗糖在棉花胚(种子)和纤维中的分配,以期同步提高棉花纤维和种子产量、改进纤维品质。结果表明:(1)库器官特异表达玉米蔗糖转运蛋白ZmSUT1可以促进光合产物向靶器官运输,增加库强,...
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 文献综述
1.1 植物光合产物的运输和分配
1.1.1 韧皮部的结构
1.1.2 韧皮部的运输机制
1.2 蔗糖转运蛋白研究进展
1.2.1 SUTs蔗糖转运蛋白研究进展
1.2.2 SWEETs糖转运蛋白研究进展
1.2.3 蔗糖转运蛋白参与宿主与病原菌互作
1.2.4 操纵蔗糖转运蛋白提高作物产量研究
1.3 种子发育和萌发的分子调控
1.3.1 种子发育的转录因子调控
1.3.2 种子发育的表观遗传调控
1.3.3 种子发育以及萌发的激素调控
1.3.4 种子发育以及萌发的糖信号调控
1.4 棉花种子与纤维发育
1.4.1 棉花种子发育的独特性
1.4.2 糖与棉花纤维发育
1.4.3 ROS与棉花纤维发育
1.4.4 棉花纤维发育分子机理
第2章 引言
2.1 研究意义以及立题依据
2.2 技术路线
第3章 材料与方法
3.1 材料
3.1.1 植物材料
3.1.2 菌株和载体
3.1.3 主要药品试剂
3.1.4 主要仪器设备
3.1.5 主要缓冲液与培养基配制
3.2 方法
3.2.1 主要载体构建
3.2.2 酵母表达蔗糖和生物素吸收功能测定
3.2.3 棉花遗传转化
3.2.4 胚珠离体培养
3.2.5 植物总RNA提取及c DNA合成
3.2.6 qRT-PCR分析
3.2.7 可溶性糖、淀粉和纤维素含量测定
3.2.8 mRNA原位杂交
3.2.9 黑暗诱导衰老
3.2.10 衰老相关生理变化测定
3.2.11 干物质测定
3.2.12 棉花叶片光合速率测定
3.2.13 棉花产量统计
3.2.14 纤维起始观察以及数量统计
3.2.15 每粒种子上成熟纤维数目统计
3.2.16 纤维长度以及品质测定
3.2.17 纤维细胞透射电镜观察
3.2.18 纤维总单元(Total fiber units)检测
3.2.19 ROS组织化学染色
3.2.20 木质素含量检测
3.2.21 H2O2 含量测定
3.2.22 呼吸速率检测
3.2.23 线粒体氧化磷酸化相关酶酶活测定
3.2.24 GUS组织化学染色
3.2.25 α-淀粉酶与蔗糖合酶酶活测定
3.2.26 烟草瞬时表达
3.2.27 双荧光素酶报告系统
3.2.28 石蜡切片
3.2.29 ABA提取与测定
第4章 结果与分析
第一部分 表达玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT1 与棉花光合产物分配
4.1.1 叶片中衰老诱导表达ZmSUT1 促进棉花叶片可溶性糖积累
4.1.2 衰老叶片表达ZmSUT1 延缓了叶片衰老、降低了光合效率
4.1.3 种皮特异表达ZmSUT1 促进胚珠表皮和纤维蔗糖积累、提高植株光合效率
4.1.4 种皮特异表达ZmSUT1 提高了棉花种子和纤维产量
4.1.5 小结
第二部分 蔗糖-ROS与棉花纤维起始、伸长以及次生壁合成
4.2.1 高亲和特异向胞内转运蔗糖的转运蛋白UmSRT1 功能验证
4.2.2 种皮特异表达Um SRT1 促进了可溶性糖在发育早期的纤维中积累
4.2.3 种皮特异表达Um SRT1 促进了纤维细胞起始
4.2.4 种皮特异表达Um SRT1 促进了纤维早期伸长但成熟纤维变短
4.2.5 蔗糖促进纤维细胞次生壁合成
4.2.6 蔗糖促进糖代谢以及线粒体的氧化磷酸化,加强了细胞的呼吸作用
4.2.7 蔗糖促进细胞中ROS的生成
4.2.8 糖代谢产生的ROS参与纤维细胞起始、伸长和次生壁合成
4.2.9 增加蔗糖促进了纤维细胞中黄酮类化合物的合成
4.2.10 蔗糖和ROS与木质素合成
4.2.11 小结
第三部分 棉花蔗糖转运蛋白GhSWEET15和GhSUT5 的功能
4.3.1 棉花的蔗糖转运蛋白基因及其在高糖纤维细胞中的表达变化
4.3.2 下调GhSUTs降低纤维中可溶性糖含量;而下调GhSWEETs增加可溶性糖在纤维中的积累
4.3.3 下调GhSUTs和 GhSWEETs对纤维发育的影响
4.3.4 纤维特异表达的蔗糖转运蛋白基因的筛选
4.3.5 GhSWEET15 在次生壁合成时期特异表达
4.3.6 上调和下调GhSWEET15 转基因材料的获得与筛选
4.3.7 上调GhSWEET15 降低了纤维细胞的蔗糖水平,而下调GhSWEET15 增加了纤维细胞的蔗糖积累
4.3.8 特异上调GhSWEET15 抑制纤维次生壁合成
4.3.9 GhSUT5 在种子发育后期优势表达
4.3.10 GhSUT5 蔗糖转运动力学检测
4.3.11 GhSUT5 对棉花胚珠和纤维中可溶性糖的调控
4.3.12 下调GhSUT5 延迟胚的发育
4.3.13 下调GhSUT5 种子萌发延迟
4.3.14 GA抑制GhSUT5/AtSUC5 的表达
4.3.15 AtWRKY27 直接参与了GA抑制AtSUC5 信号途径
4.3.16 AtWRKY27 的缺失(wrky27)阻断了GA促进种子萌发的信号
4.3.17 wrky27-suc5 通过T6P/SnRK1 信号途径抑制种子萌发
4.3.18 RGL2 正向调控WRKY27/SUC5 转录
4.3.19 小结
第5章 讨论
5.1 表达玉米ZmSUT1 改变了棉花光合产物的分配
5.1.1 叶片衰老诱导表达ZmSUT1,延缓棉花衰老,但降低棉花产量
5.1.2 种皮特异表达ZmSUT1 提高了棉花种子和纤维产量
5.2 蔗糖代谢产生的ROS参与纤维细胞起始、伸长以及次生壁合成
5.2.1 蔗糖促进纤维细胞起始、伸长以及次生壁合成
5.2.2 蔗糖代谢、ROS与纤维的起始和伸长
5.2.3 蔗糖与抗氧化系统以及木质素合成相关
5.3 GhSWEET15和GhSUT5 与纤维和种子中的碳分配
5.3.1 GhSUTs和 GhSWEETs在纤维发育中具有不同的功能
5.3.2 GhSWEET15 同纤维细胞次生壁合成相关
5.3.3 GhSUT5 参与棉花胚的发育以及种子萌发
5.3.4 DELLA-WRKY27-SUC5 早萌发的反馈调节信号
第6章 主要结论、创新点和展望
6.1 主要结论
6.2 主要创新
6.3 展望
参考文献
附录
附录1 :主要表达载体构建路线图
附录2 :论文使用相关引物
附录3 :缩略词
附录4 :攻读学位期间参与课题及发表论文
致谢
本文编号：3797752
【文章页数】：171 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 文献综述
1.1 植物光合产物的运输和分配
1.1.1 韧皮部的结构
1.1.2 韧皮部的运输机制
1.2 蔗糖转运蛋白研究进展
1.2.1 SUTs蔗糖转运蛋白研究进展
1.2.2 SWEETs糖转运蛋白研究进展
1.2.3 蔗糖转运蛋白参与宿主与病原菌互作
1.2.4 操纵蔗糖转运蛋白提高作物产量研究
1.3 种子发育和萌发的分子调控
1.3.1 种子发育的转录因子调控
1.3.2 种子发育的表观遗传调控
1.3.3 种子发育以及萌发的激素调控
1.3.4 种子发育以及萌发的糖信号调控
1.4 棉花种子与纤维发育
1.4.1 棉花种子发育的独特性
1.4.2 糖与棉花纤维发育
1.4.3 ROS与棉花纤维发育
1.4.4 棉花纤维发育分子机理
第2章 引言
2.1 研究意义以及立题依据
2.2 技术路线
第3章 材料与方法
3.1 材料
3.1.1 植物材料
3.1.2 菌株和载体
3.1.3 主要药品试剂
3.1.4 主要仪器设备
3.1.5 主要缓冲液与培养基配制
3.2 方法
3.2.1 主要载体构建
3.2.2 酵母表达蔗糖和生物素吸收功能测定
3.2.3 棉花遗传转化
3.2.4 胚珠离体培养
3.2.5 植物总RNA提取及c DNA合成
3.2.6 qRT-PCR分析
3.2.7 可溶性糖、淀粉和纤维素含量测定
3.2.8 mRNA原位杂交
3.2.9 黑暗诱导衰老
3.2.10 衰老相关生理变化测定
3.2.11 干物质测定
3.2.12 棉花叶片光合速率测定
3.2.13 棉花产量统计
3.2.14 纤维起始观察以及数量统计
3.2.15 每粒种子上成熟纤维数目统计
3.2.16 纤维长度以及品质测定
3.2.17 纤维细胞透射电镜观察
3.2.18 纤维总单元(Total fiber units)检测
3.2.19 ROS组织化学染色
3.2.20 木质素含量检测
3.2.21 H2O2 含量测定
3.2.22 呼吸速率检测
3.2.23 线粒体氧化磷酸化相关酶酶活测定
3.2.24 GUS组织化学染色
3.2.25 α-淀粉酶与蔗糖合酶酶活测定
3.2.26 烟草瞬时表达
3.2.27 双荧光素酶报告系统
3.2.28 石蜡切片
3.2.29 ABA提取与测定
第4章 结果与分析
第一部分 表达玉米蔗糖转运蛋白基因ZmSUT1 与棉花光合产物分配
4.1.1 叶片中衰老诱导表达ZmSUT1 促进棉花叶片可溶性糖积累
4.1.2 衰老叶片表达ZmSUT1 延缓了叶片衰老、降低了光合效率
4.1.3 种皮特异表达ZmSUT1 促进胚珠表皮和纤维蔗糖积累、提高植株光合效率
4.1.4 种皮特异表达ZmSUT1 提高了棉花种子和纤维产量
4.1.5 小结
第二部分 蔗糖-ROS与棉花纤维起始、伸长以及次生壁合成
4.2.1 高亲和特异向胞内转运蔗糖的转运蛋白UmSRT1 功能验证
4.2.2 种皮特异表达Um SRT1 促进了可溶性糖在发育早期的纤维中积累
4.2.3 种皮特异表达Um SRT1 促进了纤维细胞起始
4.2.4 种皮特异表达Um SRT1 促进了纤维早期伸长但成熟纤维变短
4.2.5 蔗糖促进纤维细胞次生壁合成
4.2.6 蔗糖促进糖代谢以及线粒体的氧化磷酸化,加强了细胞的呼吸作用
4.2.7 蔗糖促进细胞中ROS的生成
4.2.8 糖代谢产生的ROS参与纤维细胞起始、伸长和次生壁合成
4.2.9 增加蔗糖促进了纤维细胞中黄酮类化合物的合成
4.2.10 蔗糖和ROS与木质素合成
4.2.11 小结
第三部分 棉花蔗糖转运蛋白GhSWEET15和GhSUT5 的功能
4.3.1 棉花的蔗糖转运蛋白基因及其在高糖纤维细胞中的表达变化
4.3.2 下调GhSUTs降低纤维中可溶性糖含量;而下调GhSWEETs增加可溶性糖在纤维中的积累
4.3.3 下调GhSUTs和 GhSWEETs对纤维发育的影响
4.3.4 纤维特异表达的蔗糖转运蛋白基因的筛选
4.3.5 GhSWEET15 在次生壁合成时期特异表达
4.3.6 上调和下调GhSWEET15 转基因材料的获得与筛选
4.3.7 上调GhSWEET15 降低了纤维细胞的蔗糖水平,而下调GhSWEET15 增加了纤维细胞的蔗糖积累
4.3.8 特异上调GhSWEET15 抑制纤维次生壁合成
4.3.9 GhSUT5 在种子发育后期优势表达
4.3.10 GhSUT5 蔗糖转运动力学检测
4.3.11 GhSUT5 对棉花胚珠和纤维中可溶性糖的调控
4.3.12 下调GhSUT5 延迟胚的发育
4.3.13 下调GhSUT5 种子萌发延迟
4.3.14 GA抑制GhSUT5/AtSUC5 的表达
4.3.15 AtWRKY27 直接参与了GA抑制AtSUC5 信号途径
4.3.16 AtWRKY27 的缺失(wrky27)阻断了GA促进种子萌发的信号
4.3.17 wrky27-suc5 通过T6P/SnRK1 信号途径抑制种子萌发
4.3.18 RGL2 正向调控WRKY27/SUC5 转录
4.3.19 小结
第5章 讨论
5.1 表达玉米ZmSUT1 改变了棉花光合产物的分配
5.1.1 叶片衰老诱导表达ZmSUT1,延缓棉花衰老,但降低棉花产量
5.1.2 种皮特异表达ZmSUT1 提高了棉花种子和纤维产量
5.2 蔗糖代谢产生的ROS参与纤维细胞起始、伸长以及次生壁合成
5.2.1 蔗糖促进纤维细胞起始、伸长以及次生壁合成
5.2.2 蔗糖代谢、ROS与纤维的起始和伸长
5.2.3 蔗糖与抗氧化系统以及木质素合成相关
5.3 GhSWEET15和GhSUT5 与纤维和种子中的碳分配
5.3.1 GhSUTs和 GhSWEETs在纤维发育中具有不同的功能
5.3.2 GhSWEET15 同纤维细胞次生壁合成相关
5.3.3 GhSUT5 参与棉花胚的发育以及种子萌发
5.3.4 DELLA-WRKY27-SUC5 早萌发的反馈调节信号
第6章 主要结论、创新点和展望
6.1 主要结论
6.2 主要创新
6.3 展望
参考文献
附录
附录1 :主要表达载体构建路线图
附录2 :论文使用相关引物
附录3 :缩略词
附录4 :攻读学位期间参与课题及发表论文
致谢
本文编号：3797752
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/nykjbs/3797752.html