棉花GhPHOT2-1調(diào)節(jié)植物葉綠體運(yùn)動(dòng)的功能分析.pdf

1、棉花是世界上最重要的的經(jīng)濟(jì)作物之一，能夠?yàn)槿藗兊纳钐峁┴S富的纖維及油料資源。盡管人們很早就種植棉花并對(duì)其進(jìn)行馴化，但是如何利用分子育種的手段提高棉花的產(chǎn)量及品質(zhì)仍然是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。目前，我國(guó)大量種植的棉花主要是陸地棉。陸地棉（AADD）是四倍體植物，其基因組比較復(fù)雜，使得對(duì)其進(jìn)行分子育種存在一定的困難。亞洲棉（AA）和雷蒙德氏棉（DD）是二倍體植物，分別在印度或南美洲部分地區(qū)種植，亞洲棉和雷蒙德氏棉全基因組測(cè)序完成的時(shí)間較早

2、，所以早期對(duì)棉花基因的研究主要依賴于雷蒙德氏棉和亞洲棉的基因庫(kù)。近年來(lái)，隨著四倍體陸地棉全基因組測(cè)序的完成，使得對(duì)陸地棉的研究成為可能。
　　作為一種植物發(fā)育必不可少的環(huán)境因素，光對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起到了至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。植物感應(yīng)光的受體有向光素、光敏色素、隱花色素以及 UV8等，通過(guò)這些光受體，植物可以整合不同的光信號(hào)，調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)發(fā)育。其中，藍(lán)光受體向光素在模式植物擬南芥中功能的研究比較深入，向光素1（PHOT1）和向光素2（P

3、HOT2）主要參與調(diào)節(jié)植物的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，包括植物向光性、葉綠體運(yùn)動(dòng)，氣孔運(yùn)動(dòng)以及子葉伸展等。PHOT2包括兩個(gè)光、氧和電壓敏感區(qū)LOV1、LOV2和Ser/Thr蛋白激酶區(qū)。研究證實(shí)LOV區(qū)在受到藍(lán)光誘導(dǎo)后，F(xiàn)MN和胱氨酸39形成共價(jià)化合物改變蛋白構(gòu)象，從而激活蛋白激酶區(qū)引起植物受體的自磷酸化，引起植物一系列的生理生態(tài)反應(yīng)。本文主要探討PHOT2在植物葉綠體運(yùn)動(dòng)調(diào)控作用。
　　論文首先在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的陸地棉數(shù)據(jù)庫(kù)中利用擬

4、南芥AtPHOT2氨基酸序列進(jìn)行 BLAST（ http://cgp.genomics.org.cn/page/species/index.jsp），獲得棉花GhPHOT2亞家族共九條基因的氨基酸序列，分別為CotAD_09562（A基因組九號(hào)染色體）、CotAD_12100（D基因組十三號(hào)染色體）、CotAD_13007（A基因組八號(hào)染色體）、CotAD_29566（D基因組三號(hào)染色體）、CotAD_33323（位置不明）、CotAD

5、_33403（A基因組十三號(hào)染色體）、CotAD_58277（位置不明）、CotAD_60197（A基因組五號(hào)染色體）、CotAD_70827（A基因組八號(hào)染色體）。經(jīng)過(guò)生物信息學(xué)分析，選定一條與擬南芥AtPHOT2氨基酸序列的同源性高達(dá)66％的陸地棉基因CotAD_58277作為研究對(duì)象，生物信息學(xué)分析表明該基因具有兩個(gè)PAS結(jié)構(gòu)域和一個(gè)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，把該基因命名為GhPHOT2-1，并進(jìn)行深入的研究。
　　通過(guò)構(gòu)建GhPHO

6、T2-1超表達(dá)載體并通過(guò)農(nóng)桿菌侵染擬南芥phot2突變體，我們獲得了重新具有葉綠體運(yùn)動(dòng)功能的回補(bǔ)株系，證明了棉花基因GhPHOT2-1在擬南芥中可以控制葉綠體的避光運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)侵染擬南芥phot1phot2雙突變體，我們獲得在強(qiáng)藍(lán)光下下胚軸向光彎曲的株系，確認(rèn)了棉花基因GhPHOT2-1具有控制下胚軸向光彎曲的功能。通過(guò)構(gòu)建GhPHOT2-1的GFP載體并進(jìn)行亞細(xì)胞定位分析，我們發(fā)現(xiàn)棉花基因GhPHOT2-1和擬南芥AtPHOT2的

7、亞細(xì)胞定位一致，都定位在細(xì)胞膜和葉綠體膜上，并且GhPHOT2-1與AtPHOT2都在藍(lán)光的介導(dǎo)下發(fā)生遷移現(xiàn)象，向細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)移，盡管其轉(zhuǎn)移程度存在差異。通過(guò)對(duì)phot2突變體和回補(bǔ)材料實(shí)施強(qiáng)光照射，我們發(fā)現(xiàn)，突變體葉片受到傷害，而回補(bǔ)材料的葉片可以避免此傷害。同時(shí)，對(duì) wt、phot2、phot1phot2和回補(bǔ)材料在PSII階段的光能轉(zhuǎn)化效率（Fv/Fm）測(cè)定結(jié)果表明，棉花GhPHOT2-1基因能夠使突變體的光能轉(zhuǎn)化效率回補(bǔ)至 wt水

8、平。此外，我們也通過(guò) VIGS技術(shù)對(duì)GhPHOT2-1在棉花中響應(yīng)光的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。我們發(fā)現(xiàn)，得到的GhPHOT2-1沉默植株葉片葉綠體在強(qiáng)藍(lán)光照射下沒(méi)有避光能力，葉片出現(xiàn)了斑狀損傷。另一方面，棉花GhPHOT2-1超表達(dá)株系的葉片透光率在白天顯著高于野生型和基因沉默型，而且，超表達(dá)株系的平均棉鈴重和纖維長(zhǎng)度都優(yōu)于野生型。以上結(jié)果表明，GhPHOT2-1基因在棉花中起到了避免葉片受到強(qiáng)光傷害的作用，并在一定程度上有助于提高植物體光合效