纤维素酶和半纤维素酶对拟南芥果荚发育和开裂的影响

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成熟果实的开裂是通过一系列细胞的特异性分化形成的特定的结构来实现的。果实开裂并释放种子，是植物完成生命的延续和种族繁衍的重要途径。拟南芥（Arabidopsis thaliana(L.) Heynh.）的果荚生长发育和开裂与传统油料作物具有相似特点和调控机制。因此以拟南芥作为研究果实开裂机理的模式植物，有助于果实开裂机理的深入解析和未来生产应用。纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶直接参与植物细胞壁的修饰和降解，因此一直被认为在植物器官脱落和开裂的过程中起着重要的作用，然而，参与拟南芥果荚开裂的纤维素酶和半纤维素酶基因及其功能至今未被报道。　　本研究通过拟南芥基因数据库和共表达数据库筛选出一个纤维素酶基因 CEL6 和半纤维素酶基因MAN7，并针对这两个基因进行了细致的功能研究，取得的主要结果和结论如下：　　1.通过qRT-PCR对CEL6和MAN7在果荚发育不同阶段的表达量进行检测，我们发现CEL6和MAN7在果荚发育整个17期维持比较高的表达水平，MAN7在18期甚至达到表达的峰值。比较CEL6和MAN7在Col-0与果荚开裂相关转录因子ind和alc突变体17期果荚的表达量差异进一步发现CEL6和MAN7在ind和alc突变体中的表达量显著下降，说明CEL6和MAN7在果荚的表达部分受转录因子IND和ALC所调控。　　2. 通过构建启动子GUS和融合蛋白GUS转基因植株并使用GUS染色对CEL6和MAN7的表达模式进行研究，我们发现CEL6和MAN7在营养器官和生殖器官均有表达。其中在18期果荚中CEL6和MAN7主要在胎座框、果瓣边缘和珠柄等与开裂和脱落相关的区域表达，而且胎座框和果瓣边缘的GUS信号会在ind和alc突变株中显著减弱甚至消失。这说明 CEL6 和 MAN7 在果荚开裂区表达且在该位置的表达受IND和ALC所调控。　　3.通过对CEL6和MAN7的t-DNA插入突变体进行研究，我们发现cel6突变体和man7突变体以及cel6 man7双突变体果荚成熟普遍比野生型晚1-2天，果荚的开裂区分化会推迟，离层区细胞程序性死亡出现推迟，离层细胞比野生型更小且更为狭长。但在基因表达模式的研究中对应时期和部位却没有出现 GUS 信号，说明 CEL6 和MAN7的缺失间接影响了开裂区的分化过程。另外，电镜观察分析显示野生型18B期果荚的大部分离层细胞基本上已经完全降解，而突变株材料的离层细胞仍然维持完整的细胞形态结构。对野生型和突变体的开裂率统计也表明，各突变体的开裂率均低于野生型，且cel6突变体和cel6 man7双突变体要低于man7突变体。上述发现说明cel6和man7的突变会推迟果荚的成熟，影响果荚开裂区的分化，阻止离层细胞的降解并降低果荚的开裂率。证明 CEL6 和 MAN7 在果荚发育和开裂过程中发挥重要的作用。　　4.通过构建 CEL6 和 MAN7 的过表达植株并统计开裂率，我们发现过表达 CEL6和MAN7只能稍微提高将近成熟果荚的开裂率，与野生型的差异并不明显。　　5.通过引入果胶酶突变体adpg1-1和adpg2-1，我们通过杂交获得包括adpg1-1、adpg2-1、cel6-1、man7-3在内的四种突变体叠加而成的各种双突变体、三突变体和四突变体。对获得的各种突变体进行表型分析结果显示 adpg1-1 单突变体和 adpg1-1 adpg2-1双突变体的不开裂表型比cel6-1单突变体、man7-3单突变体和cel6-1 man7-3双突变体更强，并在叠加后者后，不开裂表型变得更加明显。另一方面，cel6-1和man7-3单突变体和cel6-1 man7-3双突变体的抗开裂表型比adpg2-1单突变体的要强，adpg2-1叠加cel6-1和man7-3单突变体和cel6-1 man7-3双突变体的表型比adpg2-1单突变体的不开裂表型更明显，但与cel6-1和man7-3单突变体和cel6-1 man7-3双突变体的不开裂表型相当，说明cel6-1突变和man7-3突变位于adpg2-1突变的上位。　　综上所述，我们的研究表明CEL6和MAN7间接作用于果荚发育过程中的细胞分化，并对直接参与了果荚开裂过程中离层细胞的溶解。我们的研究还证明了通过改变多种细胞壁降解酶的活性可以人为的操纵果荚的开裂程度。这对未来培育不同程度的果实抗开裂油料作物奠定了理论基础和提供了技术支持。

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作者
何韩军;
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作者单位

华南农业大学;

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授予单位华南农业大学;
学科植物学
授予学位博士
导师姓名吴鸿;
年度 2018
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正文语种 chi
中图分类
关键词
果荚,纤维素酶,半纤维素酶,果实开裂,生长发育;

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