水稻乙烯反应突变体mhz6和mhz9的基因鉴定和功能分析

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:studentxp2007
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植物气体激素乙烯在植物生长发育以及应对逆境胁迫过程中起着重要作用。在双子叶模式植物拟南芥中,已经建立了一个从内质网膜上的乙烯信号接收到细胞核内的转录调控的线性乙烯信号转导模型。然而,乙烯信号在单子叶植物中的作用机制还不甚清楚。单子叶模式植物水稻是世界上重要的粮食作物之一,乙烯在水稻适应其半水生环境过程中起了重要作用。根据水稻黄化苗的乙烯“双重反应”,我们实验室筛选出了一批乙烯反应缺陷突变体mhz(maohuzi),在本研究中,我们鉴定了其中的mhz6和mhz9。  乙烯反应缺陷突变体mhz6的根对乙烯完全不敏感,而胚芽鞘有微微减弱的乙烯反应。遗传分析显示该突变体表型是由隐性单基因控制。利用图位克隆的方法鉴定了MHZ6基因,该基因编码了拟南芥乙烯信号通路上重要转录因子EIN3的同源蛋白OsEIL1。水稻中OsEIL家族有6个成员,其中OsEIL2-RNAi株系表现出胚芽鞘伸长对乙烯不敏感,而根的乙烯反应几乎正常。MHZ6/OsEIL1和OsEIL2的这种器官特异的乙烯反应调控模式和拟南芥的EIN3和EIL1不同,它们都只是介导了拟南芥黄化苗的部分三重反应。  在双子叶植物中,乙烯合成以及信号转导过程中的一些组分已经被证明在植物抗逆过程中有重要作用,然而在水稻中相关研究还很少。我们发现,MHZ6/OsEIL1和OsEIL2的突变或敲除能够显著提高水稻幼苗的耐盐性,而它们的过表达植株则表现为对盐胁迫的敏感性增强。与此相一致,乙烯反应抑制剂1-MCP处理的水稻幼苗表现出较高的耐盐性,而乙烯处理的幼苗表现出对盐胁迫的敏感反应。以上结果表明,MHZ6/OsEIL1和OsEIL2介导的乙烯信号负调控水稻幼苗的耐盐性。生理分析发现,盐胁迫下mhz6突变体和OsEIL2-RNAi植株体内Na+离子含量显著低于野生型,而其过表达株系中则积累了更多的Na+离子,表明MHZ6/OsEIL1和OsEIL2通过影响水稻对Na+离子的吸收来调控其盐胁迫反应。为了进一步揭示MHZ6/OsEIL1和OsEIL2调控Na+离子吸收的分子机制,对离子通道基因家族进行了表达分析。结果发现,在根中负责从外部吸收Na+离子的OsHKT2;1基因的表达量最高且受乙烯强烈诱导,该基因在mhz6突变体和OsEIL2-RNAi株系中表达被下调且不受乙烯诱导,而在MHZ6/OsEILI-OX和OsEIL2-OX株系中的则被显著上调。EMSA实验证明MHZ6/OsEIL1和OsEIL2可以在体外直接与OsHKT2;1的启动子结合。烟草LUC瞬时表达实验表明在植物体内过表达MHZ6/OsEIL1和OsEIL2可促进OsHKT2;1基因的表达。上述结果表明,MHZ6/OsEIL1和OsEIL2通过激活其主要靶基因OsHKT2;1促进Na+离子吸收从而负调控水稻幼苗的耐盐性。该发现与拟南芥中报道的EIN3和EIL1正调控耐盐性完全相反。  乙烯反应缺陷突变体mhz9的根对乙烯完全不敏感,而胚芽鞘对乙烯反应钝感。与野生型相比,mhz9突变体在营养生长和生殖生长期都表现出植株矮化、分蘖减少和散生等大田表型。通过图位克隆的方法我们鉴定了MHZ9基因,该基因编码一个含有GYF(glycine-tyrosine-phenylalanine)结构域的功能未知蛋白。序列比对发现MHZ9的GYF结构域属于SMY2-GYF亚家族,与已经报道过的真菌或者动物蛋白,以及植物蛋白含有的GYF结构域有较高的相似性,说明了GYF结构域在动物和植物中都相当保守。在水稻中还有一个GYF结构域蛋白,但是和MHZ9亲缘关系较远。MHZ9基因在黄化苗的根和胚芽鞘都有表达,在成年植株中,MHZ9在各个器官都有较强表达,其中在茎和叶片表达量较高,且每个茎节的表达也有所不同。通过GYF结构域的保守位点定点突变(Y6H、F17L、W25G、Y30H、F31S和L35S)的MHZ9基因转化mhz9我们发现这些点突变的基因都可以将突变体乙烯不敏感和大田表型恢复成野生型表型,表明GYF结构域的这些氨基酸的分别突变对MHZ9的功能没有影响。通过对mhz9/OsEIN2-OX的乙烯响应的分析,我们发现其乙烯响应弱于OsEIN2-OX。这说明了MHZ9的突变可以部分阻断OsEIN2-OX株系的乙烯过敏感表型,MHZ9可能位于OsEIN2下游参与调控了乙烯信号转导。
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