毛白杨扩展蛋白基因的功能分化研究.pdf

摘要 摘要 扩展蛋白是细胞壁的重要组成部分，通过打断细胞壁纤维素与半纤维素之间的连 接，使细胞壁疏松，细胞延展性增强。植物基因组中存在大量的扩展蛋白基因，目前 的研究表明，不同的扩展蛋白基因参与了植物生长发育和逆境抗性等重要的生命过 程，显示扩展蛋白基因功能的多效性。为了进一步揭示扩展蛋白的作用，本研究以毛 白杨为材料，通过基因转化技术，研究扩展蛋白对不同逆境的抗性差异，探讨不同扩 展蛋白基因的功能分化，从而为林木分子设计育种提供理论依据。进一步挖掘扩展蛋 白的核心功能位点，解析扩展蛋白作用的分子机制。主要结果如下： （1）通过毛果杨等物种扩展蛋白基因的生物信息学分析显示，单子叶植物扩展 蛋白基因的GC 含量高，高频密码子和最优密码子数量较多，主要以G/C 结尾；而双 子叶植物AT 含量高，高频密码子和最优密码子数量较少，主要以A/T 结尾。草本植 物的高频密码子和最优密码子数量较多，木本和藤本植物的高频密码子和最优密码子 数量较少。扩展蛋白基因具有明显的种属特征，在物种进化中具有重要的地位。 （ 2 ）对毛白杨扩展蛋白基因PtoEXPA8 进行了克隆和烟草转化，经干旱、高温、 低温、盐和重金属镉5 种逆境分别处理，PtoEXPA8 过表达株系较野生型的抗性明显 增加，但对不同的逆境抗性能力有所差异。通过生理指标测定显示，PtoEXPA8 对高 温胁迫的表现最好，5 个生理指标基因效应指数综合排名第一，其次是干旱、低温、 镉和盐胁迫，表明扩展蛋白对不同非生物胁迫具有不同的抗性作用。 （3 ）对7 个毛白杨扩展蛋白基因进行了克隆和烟草转化，过表达扩展蛋白基因 株系的株高和叶片大小较野生型提高了0.10～37.45 %和-13.58～67.10 %，花直径、 开花时间和种子千粒重是野生型的0.95～1.15、0.81～0.97 和0.55～1.15 倍。高温胁 迫分析表明，PtoEXPA8 过表达株系5 个生理指标响应指数综合排名第一，对高温的 抗性最好，其次是 PtoEXPB3 、PtoEXPA12 、PtoEXLA2 、PtoEXPA3 、PtoEXLB1 和 PtoEXPA1 ，基因序列的差异导致不同扩展蛋白的功能存在明显的分化。 （4 ）克隆了毛白杨 6 个扩展蛋白基因的结合域序列，分别对PtoEXPA8 的结合 域进行替换，利用6 个重组的扩展蛋白基因和对照PtoEXPA8 基因进行烟草转化。高 温胁迫处理下，PtoEXPA8 和不同扩展蛋白重组基因的过表达植株抗性存在一定的差 异，其中PtoEXPA13R 重组基因对高温的抗性最高，响应指数综合排名第一，其次是 PtoEXPA12R 、PtoEXPA8 、PtoEXPA16R 、PtoEXLB2R 、PtoEXPA22R 和PtoEXPA24R 。 I 毛白杨扩展蛋白基因的功能分化研究 比较7 个基因的结合域序列，发现8 个氨基酸位点（13A 、25R 、29L、35W、39W、 43A 、44N 和46Q ）对扩展蛋白的高温抗性有明显的影响。 关键词：毛白杨，扩展蛋白，转化，逆境胁迫，重组 II 目录 目录 引言 1 1 文献综述 2 1.1 扩展蛋白基因家族和蛋白结构 2 1.1.1 扩展蛋白基因家族 2 1.1.2 扩展蛋白的结构 3 1.2 扩展蛋白的作用机制 4 1.3 扩展蛋白与植物的生长发育 5 1.3.1 扩展蛋白与种子发育 6 1.3.2 扩展蛋白与根发育 7

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