植物BSP基因的起源及水稻OsBSP3基因功能的初步研究.pdf

1、BSP(Bark storage protein)蛋白被稱為樹(shù)皮儲(chǔ)藏蛋白，它在溫帶落葉樹(shù)的氮代謝機(jī)制中有著極其重要的作用。與種子的儲(chǔ)藏蛋白非常相似，即秋天時(shí)，葉片中的蛋白降解，釋放出的氨基酸被轉(zhuǎn)運(yùn)到樹(shù)皮中，由韌皮部細(xì)胞合成BSP蛋白，第二年春天，這些儲(chǔ)藏蛋白就分解成氨基酸再次轉(zhuǎn)運(yùn)到新芽和新葉中，為樹(shù)木的快速生長(zhǎng)提供足夠的氮源。盡管已有的研究表明楊樹(shù)中BSP成員參與到氮素的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)運(yùn)，存楊樹(shù)等植物的生長(zhǎng)發(fā)育中具有非常重要的作用，但是當(dāng)前對(duì)

2、BSP基因的起源和進(jìn)化機(jī)制尚不明確，尤其是該基因在單子葉植物中的生理和形態(tài)功能尚不清楚。
　　為了深入研究BSP基因的起源和進(jìn)化規(guī)律，本研究通過(guò)牛物信息學(xué)方法對(duì)植物中BSP基因及同源基因進(jìn)行了物種間分布分析、系統(tǒng)發(fā)育分析和功能分化分析，系統(tǒng)闡述了植物BSP基因的起源和進(jìn)化規(guī)律;并利用反向遺傳學(xué)手段對(duì)水稻中的BSP基因進(jìn)行了功能的初步研究。主要結(jié)果如下:
　　1.植物BSP基因最早出現(xiàn)在水生的輪藻，并在維管植物基因組中普遍存在

3、。以水稻BSP基因作為檢索序列，對(duì)NCBI的nr蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、Phytozome植物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)等檢索發(fā)現(xiàn)，BSP基因在已經(jīng)完成測(cè)序的維管植物基因組巾至少具有1個(gè)同源基兇。有證據(jù)表明陸生植物起源于水生的輪藻(Charophyta)，輪藻與陸生植物又被統(tǒng)稱為鏈球藻(Streptophyte)，輪藻基因組中具有了很多與陸生植物所特有的基因。本研究進(jìn)一步對(duì)輪藻Klebsormidium flaccidum的基因組進(jìn)行搜索，發(fā)現(xiàn)在該基因組中具有

4、1個(gè)基因編碼BSP蛋白;而在其它的已經(jīng)完成測(cè)序的Chlorophyta類綠藻中進(jìn)行搜索，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Chlorophyta類綠藻中具有BSP基因，由此表明綠色植物的BSP基因最早起源于輪藻。但對(duì)苔蘚植物小立碗蘚(Physcomitrella patens)的基因組進(jìn)行全面的檢索，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在該基因組中具有編碼BSP蛋白的基因，可能是在該基因組巾發(fā)生了基因丟失。
　　2.植物BSP基因具有明顯的功能分化的2個(gè)亞族。運(yùn)用極大似然法和距離

5、法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)結(jié)果顯示，可以將植物的BSP基因家族分成2個(gè)亞族，分別命名為A亞族和B亞族，其中A亞族中包含有輪藻、蕨類植物、裸子植物和被子植物的基因;而B(niǎo)亞族中包含有裸子植物和被子植物的基因。這些結(jié)果表明A亞族是比較古老的亞族，而B(niǎo)亞族是由于A亞族的基因通過(guò)復(fù)制產(chǎn)生的，并且由于受到較小的選擇壓力，而產(chǎn)生了的新的序列特征?；跇O大似然法對(duì)植物BSP基因亞族間進(jìn)行功能分化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)亞族之間存在明顯的進(jìn)化速率的差異，并篩選到了9

6、個(gè)對(duì)亞族間功能分化起重要作用的氨基酸位點(diǎn)。
　　3.水稻OsBSP3基因受低溫與6-BA非生物逆境的調(diào)控。為研究水稻BSP基因家族成員OsBSP3基因的功能，利用反向遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等手段發(fā)現(xiàn)該基因主要在水稻莖稈和葉鞘中表達(dá)量高，同時(shí)基因的表達(dá)量受到低溫與6-BA的顯著抑制。不同溫度下，不同轉(zhuǎn)基因植株的發(fā)芽率顯著不同，低溫下水稻野生型和過(guò)表達(dá)種子的發(fā)芽率明顯低于突變體，高溫下野生型和過(guò)表達(dá)種子的發(fā)芽率明顯高于突變體。
　　

7、4.水稻OsBSP3基因與維管束的發(fā)育相關(guān)。水稻莖稈和葉鞘制作的樹(shù)脂切片，觀察發(fā)現(xiàn)野生型、過(guò)表達(dá)和突變體植株的細(xì)胞大小和細(xì)胞寬度呈顯著性差異，野生型最大，過(guò)表達(dá)次之，突變體最小;同時(shí)莖稈中大、小維管束的個(gè)數(shù)也呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即野生型的維管束個(gè)數(shù)最多，突變體維管柬個(gè)數(shù)最少。由此推測(cè)OsBSP3基因的過(guò)量表達(dá)或者基因的突變有可能對(duì)植株的維管系統(tǒng)的生長(zhǎng)發(fā)育有抑制作用，只有該基因正常適量的表達(dá)才有利于水稻維管系統(tǒng)的正常發(fā)育。
　　上述結(jié)果