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棉花体细胞胚胎发生相关基因GhL1L1的克隆和功能验证

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摘要

缩略词表

1 文献综述

1.1 植物的胚胎发育及体细胞胚胎发生

1.2 激素对体细胞胚胎发生的影响

1.2.1 生长素

1.2.2 细胞分裂素

1.2.3 脱落酸

1.2.4 乙烯

1.3 影响体细胞胚胎发生的其他因素

1.3.1 多胺

1.3.2 硫氧还蛋白

1.3.3 表观调控

1.4 棉花体细胞胚胎发生的研究进展

1.5 LEC基因的研究进展

1.5.1 LEC基因的概述

1.5.2 LEC基因参与表观调控影响植物的生长发育

1.5.3 LEC基因调控胚胎发生

1.5.4 LEC基因调控种子中脂肪酸的合成

1.6 本研究的目的和意义

2 材料和方法

2.1 实验材料

2.1.1 植物材料

2.1.2 载体和菌株

2.2 实验方法

2.2.3 载体的构建及转基因

2.2.4 DNA的提取和Southern杂交

2.2.5 RNA的提取,Northern杂交和qRT-PCR表达分析

2.2.6 愈伤增殖率(CPR)和胚性愈伤的分化率(EDR)的统计

2.2.7 内源生长素含量测定

2.2.8 脂肪酸含量的测定

2.2.9 GUS定性和定量检测

2.2.10 组织化学观察

2.2.11 酵母单杂交(Y1H)点对点验证

2.2.12 原生质体的分离和双荧光素酶报告基因检测系统实验

2.2.13 酵母双杂交(Y2H)

2.2.14 Pull-down体外验证蛋白质相互作用

2.2.15 免疫沉淀质谱分析(IP-MS)鉴定互作蛋白

2.2.16 双分子荧光互补实验和蛋白共定位及亚细胞定位实验

2.2.17 Co-IP(Co-Immunoprecipitation)体内验证蛋白质相互作用

3 结果与分析

3.1.1 陆地棉GhL1L1进化分析

3.1.2 GhL1L1的表达分析

3.1.3 陆地棉GhL1L1超量表达载体和干涉表达载体转化棉花

3.2 GhL1L1调控棉花的体细胞胚胎发生

3.2.1 超表达GhL1L1抑制体细胞胚胎发生过程中愈伤组织的增殖

3.2.2 GhL1L1影响胚性愈伤组织的产生

3.2.3 GhL1L1影响棉花体细胞胚胎发生过程中生长素的积累和分布

3.2.4 酵母单杂交和LUC检测系统实验验证GhL1L1调控GhPP2AA2的表达

3.2.5 体外和体内实验验证GhPP2AA2蛋白与GhPIN1蛋白的相互作用

3.2.6 生长素运输抑制剂TIBA促进体细胞胚胎发生进程

3.3 GhL1L1调控棉花脂肪酸合成

3.3.1 GhL1L1转基因棉花脂肪酸含量的测定

3.3.2 酵母双杂交和IP-MS筛选GhL1L1的互作蛋白

3.3.3 体内和体外实验验证GhL1L1与NF-YC蛋白的相互作用

4 讨论

4.1 体细胞胚胎发生伴随着复杂的生长素动态变化

4.2 GhL1L1在陆地棉中的同源基因和进化分析

4.3 GhL1L1与生长素的极性分布

4.4 GhL1L1与脂肪酸的合成

4.5 GhL1L1在胚胎发育过程中存在复杂的调控关系

参考文献

附录

攻读学位期间已发表和待发表论文

致谢

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摘要

体细胞胚胎发生是植物体细胞不经过双受精在体外培养再生成为胚并发育成为一棵完整植株的过程。随着棉花组织培养及转基因技术的发展,棉花体细胞胚胎发生成为棉花遗传转化技术的基础。生长素是体细胞胚胎发生重要的调节因子之一。在本实验室前期的体胚发生表达谱中发现一个差异表达的NF-YB类转录因子,GhL1L1,该基因在棉花体细胞胚胎发生过程中差异表达。本研究对GhL1L1在棉花体细胞胚胎发生中的功能进行研究,结果如下:
  1、陆地棉GhL1L1的克隆及表达分析
  根据棉花体细胞胚胎发生过程的表达谱分析结果,我们克隆到陆地棉GhL1L1基因,编码NF-YB亚家族的蛋白;陆地棉TM-1全基因组存在41个NF-YB亚家族的基因,根据同源性比对结果,有6个属于LEC1类,其余为非LEC1类;6个LEC1类的NF-YB基因分别分布在A和D亚基因组上,编码3个同源的蛋白。组织表达模式分析发现LEC1类的NF-YB基因主要在开花后20天的种子、胚性愈伤组织、体细胞胚和合子胚等胚性细胞组织中表达,其中,GhL1L1(Gh_D05G1686)在胚性细胞组织中的表达量最高。
  2、陆地棉GhL1L1调控棉花体细胞胚胎发生过程中的细胞命运
  为了验证GhL1L1在棉花体细胞胚胎发生过程中的功能,我们构建了超表达和干涉表达载体并转化棉花。结果发现超表达GhL1L1抑制非胚性愈伤组织的起始和增殖,外植体的极性生长状态不明显,超表达GhL1L1促进胚性愈伤组织的产生及体细胞胚的发生,伴随着胚性细胞形成的标志基因GhFUS3和GhABI3的表达量显著升高。GhL1L1干涉株系愈伤组织增殖率与对照相比差异不大,外植体愈伤组织的生长出现明显的极性生长,但GhL1L1干涉株系胚性愈伤产生的时间明显推迟。
  3、陆地棉GhL1L1影响棉花体细胞胚胎发生过程中生长素的积累和分布
  为了研究GhL1L1与生长素之间的关系,我们检测了GhL1L1转基因和对照株系诱导培养25d、40d的外植体和胚性愈伤组织中的生长素含量,结果显示超表达GhL1L1诱导25d和40d的外植体中的生长素含量显著高于对照和干涉株系;此外,在GhL1L1超表达株系胚性愈伤组织生长素的含量显著高于阴性对照,而GhL1L1干涉株系胚性愈伤组织生长素的含量显著低于阴性对照。为了研究GhL1L1与生长素分布的关系,GhL1L1转基因和阴性对照株系与DR5∷GUS株系进行杂交,在超表达GhL1L1的茎顶端分生组织中GUS染色较深,有较多的生长素积累;通过GUS染色切片和IAA免疫荧光切片观察发现,在超表达和抑制表达GhL1L1的鱼雷胚中生长素的分布均会受到不同程度的影响。
  4、陆地棉GhL1L1与GhPP2AA2结合调控GhPIN1蛋白的表达
  酵母单杂交和双荧光素酶报告基因检测系统实验验证,GhL1L1可以与GhPP2AA2启动子区域的G-box元件结合,调控其表达。此外,通过体外pull-down实验和体内BiFC及蛋白共定位实验证明,GhPP2AA2可以与GhPIN1蛋白相互作用,GhPP2AA2蛋白与拟南芥AtPP2AA2蛋白较为同源,AtPP2AA2可以去磷酸化PIN1蛋白,影响PIN1蛋白的磷酸化状态和定位。因此,GhL1L1可能通过GhPP2AA2调控GhPIN1蛋白的活性而影响生长素的极性运输和分布。
  5、抑制生长素的极性运输可以促进棉花体细胞胚胎发生
  为了确定GhPIN1蛋白的定位改变是否会影响棉花的体细胞胚胎发生,在GhL1L1转基因和阴性对照外植体诱导培养基中添加生长素运输抑制剂TIBA。结果发现,TIBA可以影响生长素的分布,抑制愈伤组织的增殖,诱导培养15d GhL1L1转基因和阴性对照外植体的愈伤增殖没有明显的差异;同时,TIBA处理可以促进胚性愈伤组织细胞的提前分化,特别是在GhL1L1的干涉株系至少提前10天出现胚性愈伤组织,GhL1L1转基因和阴性对照株系外植体愈伤组织的分化率都有一定的提高。
  6、陆地棉GhL1L1调控脂肪酸的合成
  在棉花体细胞胚胎发生过程中超表达GhL1L1可以增加棉花亚油酸的含量。为了进一步研究GhL1L1的调控机理,我们通过酵母双杂交和免疫沉淀质谱分析(IP-MS)的方法鉴定GhL1L1相互结合的蛋白,通过Pull-down,BiFC和Co-IP实验验证GhL1L1与GhNF-YC2和GhNF-YC9相互作用,GhL1L1与GhNF-YC2可以与GhSSI2的启动子结合,推测GhL1L1通过调控GhSSI2影响脂肪酸的合成。

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