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棉花GhWRKY17转录因子参与ABA信号途径及干旱、高盐胁迫反应

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摘要

1 前言

1.1 WRKY转录因子的发现、起源与进化

1.2 WRKY转录因子的结构特点

1.3 WRKY转录因子的分类

1.4 WRKY转录因子与W-box结合

1.5 WRKY转录因子的表达特点

1.6 WRKY转录因子的多样化功能

1.6.1 WRKY调控植物抗病防卫反应

1.6.2 WRKY调控植物的非生物胁迫应答反应

1.6.3 WRKY在植物生长发育和物质代谢过程中的作用

1.6.4 WRKY调控植物衰老过程

1.7 WRKY转录因子调控植物逆境反应的机理

1.8 本实验的目的意义

2 材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 植物材料

2.1.2 菌株与质粒

2.1.3 酶与各种生化试剂

2.1.4 PCR引物

2.2 实验方法

2.2.1 植物材料的培养与处理

2.2.2 利用TRIzol试剂盒提取RNA

2.2.3 RNA中基因组DNA的去除

2.2.4 甲醛变性凝胶进行RNA电泳

2.2.5 cDNA第一链的合成

2.2.6 cDNA纯化和加尾反应(用于5’RACE)

2.2.7 GhWRKY17全长cDNA序列的获得

2.2.8 电泳目的片段的回收

2.2.9 目的片段与克隆载体的连接

2.2.10 大肠杆菌感受态细胞的制备和转化

2.2.11 试剂盒微量提取大肠杆菌质粒DNA

2.2.12 重组质粒的酶切鉴定

2.2.13 DNA序列测定

2.2.14 植物基因组DNA的提取

2.2.15 GhWRKY17全长基因组序列的获得

2.2.16 实时荧光定量PCR分析GhWRKY17的拷贝数

2.2.17 GhWRKY17启动子序列的获得

2.2.18 半定量RT-PCR分析GhWRKY17的表达

2.2.19 基因枪基因瞬时表达

2.2.20 酵母单杂交

2.2.21 农杆菌介导的瞬时表达系统

2.2.22 GhWRKY17超表达植株的获得

2.2.23 转基因植株的鉴定

2.2.24 组织化学染色分析

2.2.25 网络资源及数据库

2.2.26 生物学软件

3 结果与分析

3.1 棉花GhWRKY17基因的分离

3.1.1 GhWRKY17中间片段的分离

3.1.2 GhWRKY17 5’非编码区的分离

3.1.3 GhWRKY17 3’非编码区的分离

3.1.4 GhWRKY17全长cDNA的克隆

3.1.5 GhWRKY17全长cDNA序列分析

3.1.6 GhWRKY17编码的蛋白质序列分析及其进化分析

3.2 GhWRKY17基因组序列的克隆及分析

3.2.1 GhWRKY17全长基因组的分离及序列分析

3.2.2 GhWRKY17的拷贝数分析

3.3 GhWRKY17启动子序列的分离及顺式作用元件的预测

3.4 GhWRKY17的表达模式分析

3.4.1 GhWRKY17的组织特异性分析

3.4.2 GhWRKY17在非生物胁迫下的表达特性分析

3.4.3 GhWRKY17在信号分子诱导下的表达特性分析

3.5 GhWRKY17的转录因子特性分析

3.5.1 GhWRKY17的亚细胞定位

3.5.2 GhWRKY17与W-box特异性结合

3.6 GhWRKY17参与调节植物的干旱与高盐胁迫反应及其分子机理

3.6.1 GhWRKY17超表达植株的获得

3.6.2 超表达GhWRKY17使转基因植株对ABA敏感

3.6.3 GhWRKY17超表达植株在种子萌发期对干旱、高盐敏感

3.6.4 超表达植株在种子萌发后的生长对干旱、高盐敏感

3.6.5 GhWRKY17调节转基因植株对干旱、高盐胁迫的应答与ABA有关

3.6.6 超表达GhWRKY17在成苗期对干旱、高盐胁迫敏感

3.6.7 GhWRKY17转基因植株积累了较多的ROS从而加重了氧化损伤

3.6.8 超表达GhWRKY17降低了转基因植物的抗氧化酶活性

3.6.9 GhWRKY17转基因植株对氧化胁迫敏感

4 讨论

5 结论

参考文献

致谢

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摘要

植物在生长发育过程中经常遭受各种逆境胁迫(如干旱、高盐、营养缺乏、机械损伤、高温、低温及病原菌入侵等)的影响。其中,干旱和高盐胁迫是制约植物生长发育及作物产量的两大重要因素。经过长期的进化,植物形成了一系列机制来适应和防御各种逆境胁迫。信号转导和基因表达的转录水平调控在植物的抗逆过程中起着重要作用。转录因子(DREB、NAC、WRKY、MYB)是植物中最重要的一类调节基因。WRKY转录因子是近年来发现的一类在植物中广泛存在的重要转录因子超家族。WRKY蛋白通过特异性识别下游目的基因启动子区的W-box,从而参与植物的生长发育及抗逆反应过程。大量研究表明WRKY转录因子在响应植物的生物胁迫反应过程中发挥重要作用。近年来有关WRKY转录因子参与植物非生物胁迫的研究逐渐被报道,但关于WRKY参与非生物胁迫的分子机制仍不是很清楚,对重要经济作物等非模式植物的研究则更少。
   本研究以陆地棉(Gossypium hirsutum L.,鲁棉22)为材料,通过同源克隆的方法分离得到一个WRKY家族基因,命名为GhWRKY17,并对其进行了生物学功能分析。具体结果如下:
   (1)序列分析表明,该基因的cDNA全长1104bp,包括957bp的开放阅读框,编码318个氨基酸的多肽,预测分子量为34.773kDa,pI值为9.87。WRKY蛋白进化保守,该基因含有一个典型的WRKY结构域和锌指结构,并含有Ⅱ类d族的特征结构。进化树分析表明该基因属于Ⅱ类d族WRKY转录因子,因其与拟南芥WRKY17相似性较高,由此命名为GhWRKY17。基因组结构分析表明GhWRKY17含有两个内含子,在棉花基因组中以单拷贝形式存在。
   (2)利用反向PCR的方法扩增出该基因1163bp的启动子序列。PlantCARE在线软件预测发现,该序列存在一系列参与植物生长发育、应答生物胁迫和非生物胁迫的顺式作用元件。
   (3) GhWRKY17定位在细胞核中。酵母单杂交实验和农杆菌介导的瞬时表达研究表明,GhWRKY17能够特异性结合W-box并激活下游GUS基因的表达。以上实验结果证实了GhWRKY17具备转录因子的特性。
   (4)半定量RT-PCR分析发现GhWRKY17的表达不仅受非生物胁迫如干旱、高盐、机械损伤、低温的诱导,还能被ABA和H2O2等信号分子诱导。
   (5) GhWRKY17超表达植株对干旱和盐胁迫敏感。在种子萌发期对干旱和盐的敏感症状在施加ABA合成抑制剂时消失,说明GhWRKY17负调控干旱、盐胁迫的反应过程与ABA有关。
   (6)GhWRKY17超表达植株在种子萌发期和萌发后的生长对ABA敏感,但对ABA调控的气孔关闭不敏感,导致较高的失水率从而对干旱敏感,表明GhWRKY17通过ABA信号途径参与植物的干旱胁迫反应。
   (7)在干旱、高盐胁迫下,超表达植株的叶片积累了较多的ROS,氧化损伤较为严重,SOD、POD、CAT和APX酶活性和脯氨酸降低,说明GhWRKY17可能通过调节ROS水平参与植物的干旱、盐胁迫反应。
   (8) GhWRKY17超表达植株对氧化胁迫敏感。

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