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水稻转化酶基因家族的进化及其在干旱胁迫下的表达调控

作　者: 纪雪梅
导　师: 程式华；John Bennett
学　校: 中国农业科学院
专　业: 作物遗传育种
关键词: 水稻细胞壁液泡细胞质原位杂交
分类号: S511
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 4次
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内容摘要

转化酶(EC 3.2.1.26)是蔗糖代谢中的关键酶,它催化蔗糖不可逆水解成葡萄糖和果糖。在高等植物中有两个不相关的基因家族参与合成转化酶的所有同功酶:酸性转化酶基因家族(位于细胞壁和液泡)和中性/碱性转化酶基因家族(被认为在细胞质中)。这里,以水稻品种IR64为材料确认了水稻的三组不同的转化酶基因:一个细胞壁组(OsCIN1-9),一个液泡组(OsVIN1-2)和两个古老的中性/碱性组(α组,OsNIN1-4;β组OsNIN5-8),并在基因序列分析的基础上推测出编码蛋白的亚细胞位置,同时在内元-外元结构、基因复制与丢失以及转录表达等多个方面系统研究了酸性转化酶和中性/碱性转化酶基因家族的进化。不同于结构相对保守的中性/碱性转化酶家族,酸性转化酶家族在进化过程中经历了多次内含子丢失,而且在转录上也显示了较大的时空表达的多样性。本研究重点分析了酸性转化酶基因家族多样性的可能原因。合成果聚糖的酶被认为是由液泡转化酶进化而来,那么水稻的OsVIN1和OsVIN2是否都编码转化酶还是其中有一个基因编码可以合成果聚糖的果糖基转移酶?为此我们首先研究了这两个液泡转化酶基因。水稻不能积累果聚糖,然而果聚糖在一些相近的谷类作物(例如大麦和小麦)应对干旱胁迫的过程中发挥重要作用。因此,本研究对它们的酶学特性、蛋白序列的相关关系以及它们在干旱胁迫下的表达调控作了逐步的分析。在酵母Pichia pastoris中表达的重组蛋白OsVIN1和OsVIN2表现了对蔗糖以及棉子糖的葡糖基-果糖水解酶活性,OsVIN1还表现了对1-kestose、1,1-nystose以及inulin比较显著的果糖基-果糖水解酶活性。相反的,OsVIN2不具有果糖基-果糖水解酶活性,这一特性使得果聚糖积累成为可能。CLUSTALW分析的结果表明所有Pooideae的果聚糖果糖基转移酶和OsVIN2更相近,这一点进一步支持了上述观点。但是OsVIN1和OsVIN2均受干旱和ABA的诱导,而果聚糖果糖基转移酶1-SST(EC 2.4.1.99)却是受干旱和ABA的抑制。因此可以得出结论:在Pooideae范围内果聚糖的积累在进化上要求液泡转化酶家族在催化特性以及基因的表达调控方面都发生改变,水稻没有果聚糖是因为这些改变大都发生于Pooideae从水稻的原始祖先中分离出来之后。细胞壁转化酶在高等植物碳水化合物的转运中发挥重要作用。在抽穗期我们对相关基因OsCIN1-9的组织特异性表达以及对干旱的敏感性进行了研究。OsCIN1-5,8在剑叶、主穗、花药和穗颈中都有程度不同的表达。没有一个基因在剑叶中表现对干旱的敏感性,然而所有基因的表达在花药和穗颈中都显著地受干旱胁迫抑制,并且受到复水诱导。这一点充分显示了转化酶基因,作为一类基因,在库组织中表达时,对干旱胁迫的反应具有很大的保守性。这里,通过real-timeRT-PCR和RNA原位杂交等分子生物学方法对穗颈组织中的转化酶基因作了进一步深入的研究。结果显示在所有受干旱胁迫抑制的细胞壁转化酶基因中,只有OsCIN2,这一在穗颈伸长的过程中最早被关闭的一个转化酶基因,和穗颈伸长紧密相关。因此可以得出结论:干旱胁迫和细胞壁转化酶基因表达下调所引起的同化物向花药以及穗颈等组织的分配受阻密切相关。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-24
  1.1 植物转化酶基因家族研究进展  11-21
    1.1.1 转化酶的生化特性及分布  11-13
    1.1.2 编码转化酶的基因：酸性转化酶基因家族和中性/碱性转化酶基因家族  13-16
    1.1.3 转化酶基因的进化  16-19
    1.1.4 转化酶在植物糖代谢中的作用  19-20
    1.1.5 结语  20-21
  1.2 转化酶与水稻的抗旱反应  21-22
    1.2.1 水稻对干旱胁迫的高度敏感性：抽穗延迟  21
    1.2.2 解决途径  21-22
    1.2.3 水稻转化酶：穗颈伸长及其调控的分子剖析  22
  1.3 本研究的目的意义  22-24
第二章水稻两个基因家族的结构、进化以及表达分析  24-46
  2.1 材料与方法  24-25
    2.1.1 材料  24
    2.1.2 方法  24-25
  2.2 结果  25-36
    2.2.1 19个水稻转化酶基因的发现  25
    2.2.2 水稻转化酶基因的确定和分类  25-26
    2.2.3 水稻转化酶进化分析：蛋白序列  26-29
    2.2.4 水稻转化酶进化分析：外元-内元结构  29-34
    2.2.5 水稻转化酶基因的表达  34-36
  2.3 讨论  36-46
    2.3.1 水稻和拟南芥转化酶的进化比较  36-37
    2.3.2 细胞壁转化酶亚细胞定位的预测  37-40
    2.3.3 液泡转化酶的亚细胞定位机理研究  40-41
    2.3.4 中性/碱性转化酶的亚细胞定位  41-43
    2.3.5 多种转化酶基因的表达和功能研究  43-44
    2.3.6 酸性和中性/碱性转化酶空间结构预测  44-45
    2.3.7 酸性和中性/碱性转化酶的进化对比  45-46
第三章水稻液泡转化酶的特性、调控及其引发的果聚糖进化  46-62
  3.1 材料与方法  46-48
    3.1.1 材料  46
    3.1.2 方法  46-48
  3.2 结果  48-59
    3.2.1 OsVIN1和OsVIN2从Pichia pastoris的分泌和确认  48
    3.2.2 重组蛋白OsVIN1和OsVIN2的酶学特性  48-54
    3.2.3 单子叶植物的液泡转化酶和果聚糖果糖基转移酶的进化分析  54
    3.2.4 OsVIN1和OsVIN2的组织特异性以及在干旱胁迫、ABA下的转录表达  54-59
  3.3 讨论  59-62
    3.3.1 液泡转化酶基因家族内催化性质的变化  59
    3.3.2 单子叶植物液泡转化酶家族的CLUSTALW分析  59-61
    3.3.3 排除果聚糖合成与分解所形成的无效循环  61
    3.3.4 液泡转化酶基因家族表达调控的进化  61-62
第四章水稻细胞壁转化酶基因的表达和干旱下的转录调控  62-79
  4.1 材料和方法  62-64
    4.1.1 植物生长和取样  62
    4.1.2 方法  62-64
  4.2 结果  64-75
    4.2.1 细胞壁转化酶基因在剑叶、主穗、花药和穗颈的表达分析  64-67
    4.2.2 干旱胁迫使穗颈伸长停止，引起抽穗延迟  67-68
    4.2.3 细胞分裂和细胞膨大发生在穗颈基部  68-70
    4.2.4 细胞壁转化酶基因表达分布  70-71
    4.2.5 GA促进离体状态下的穗颈伸长及OsCIN2的表达分析  71-73
    4.2.6 OsCIN2 mRNA的细胞学定位：RNA原位杂交  73-75
  4.3 讨论  75-79
    4.3.1 表达于源和库组织中的多个细胞壁转化酶基因  75-76
    4.3.2 OsCIN2和穗颈伸长  76-77
    4.3.3 穗颈伸长控制机理探讨  77
    4.3.4 育种策略思索  77-79
第五章结论  79-82
  5.1 19个水稻转化酶基因的发现及其cDNA的克隆  79
  5.2 两个转化酶基因家族的进化分析  79-80
  5.3 两个液泡转化酶基因的确认及其在干旱下的表达调控  80
  5.4 细胞壁转化酶在水稻应对干旱中的作用  80-82
参考文献  82-98
致谢  98-99
作者简历  99

水稻转化酶基因家族的进化及其在干旱胁迫下的表达调控

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