小立碗藓异源表达类胡萝卜素合成基因 HpBHY 和 CrBKT 的研究

	小立碗藓异源表达类胡萝卜素合成基因 HpBHY 和 CrBKT 的研究; Study on heterologous expression of HpBHY and CrBKT in Physcomitrella patens
	和建芳
导师	刘莉
学位专业	生物化学与分子生物学
关键词	类胡萝卜素高温胁迫抗氧化脱落酸小立碗藓
摘要	随着人类活动产生的二氧化碳等温室气体排放量的上升，高温气候发生频率和强度不断增加，成为危害植物生长发育、地理分布及生产应用的重要坏境因素。植物抗氧化系统中的关键成员类胡萝卜素具有很强的抗氧化能力，能清除逆境诱导产生的叶绿体中的活性氧，从而降低活性氧对植物的危害，提高植物的非生物胁迫耐受性。研究显示类胡萝卜素能提高植物对高光、盐等胁迫的耐受性，但关于其在高温胁迫下的作用机制的报道却很少。β-胡萝卜素羟化酶（BHY）和β-胡萝卜素酮化酶（BKT）是类胡萝卜素合成途径中的一对关键酶，分别催化β-胡萝卜素合成玉米黄质和角黄素，在类胡萝卜素生物合成中起着关键作用，但关于它们在胁迫下作用的研究却很少。为了探索类胡萝卜素在植物响应高温胁迫过程中的作用，为耐高温植物的培育提供理论依据，在本研究中，通过对不同来源的β-胡萝卜素羟化酶编码基因和β-胡萝卜素酮化酶编码基因进行系统发育分析及胁迫条件下表达情况分析，我们选择了雨生红球藻的类胡萝卜素合成关键酶β-胡萝卜素羟化酶基因（HpBHY）和莱茵衣藻中的β-胡萝卜素酮化酶基因（CrBKT）用于模式植物小立碗藓的异源表达。我们通过构建植物过表达载体，利用PEG介导转化法转化小立碗藓，并从DNA水平和RNA水平鉴定获得了阳性转基因小立碗藓。通过对转基因植株进行色素水平和耐非生物胁迫能力的评估，我们得到的主要研究结果如下：1.我们测定了转基因小立碗藓植株的色素含量，发现转HpBHY和CrBKT基因的小立碗藓与野生型的色素含量存在显著差异。与野生型相比，转基因植株中叶绿素a，叶绿素b和总叶绿素含量更低，而类胡萝卜素含量尤其是叶黄素含量发生了显著提高。2.对野生型和转基因植株进行了45℃，4小时的高温胁迫处理发现，与野生型植株相比，转基因植株表现出了更强的高温胁迫耐受表型，即配子体白化坏死率降低；同时为了评估光系统II（PSII）的损伤程度，我们还测定了胁迫处理前后及恢复培养阶段植株的光系统II原初光能转化效率（Fv/Fm）变化，发现在恢复培养阶段转HpBHY和CrBKT基因的小立碗藓具有更强的恢复能力。3.为了更进一步探究转基因小立碗藓具有更强高温胁迫耐受力的原因，我们测定了几项抗氧化指标，发现在高温胁迫处理后，与野生型相比转CrBKT和HpBHY基因的小立碗藓植株内的丙二醛（MDA）含量更低，过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性更高；同时测定了内源激素脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）含量，发现在高温胁迫处理后，野生型植株的ABA含量无显著变化、SA水平却显著降低，而转CrBKT和HpBHY基因小立碗藓的ABA含量显著升高、SA水平无显著变化。4.为了探索转CrBKT和HpBHY基因的小立碗藓是否对其他非生物胁迫具有比野生型植株更强的耐受性，我们对野生型和转基因植株进行水分胁迫和紫外胁迫处理，并对比了胁迫处理前后光系统II原初光能转化效率（Fv/Fm）的变化，发现在脱水处理下转基因植株表现出更强的恢复能力，而在紫外胁迫下却无明显差异。综合以上结果，转基因小立碗藓由于CrBKT和HpBHY基因的导入有效地抵御了高温胁迫对植株造成的伤害，提高了小立碗藓植株的高温胁迫耐受能力，且CrBKT和HpBHY可能是通过参与植株抗氧化以及与ABA、SA信号相关的损伤修复通路来增强小立碗藓的耐高温能力。同时，与野生型植株相比，转基因小立碗藓在水分胁迫后具有更强的恢复能力，但在紫外胁迫下无显著差异。本研究用雨生红球藻的β-胡萝卜素羟化酶编码基因（HpBHY）和莱茵衣藻中的β-胡萝卜素酮化酶编码基因（CrBKT）转化小立碗藓获得了类胡萝卜素含量显著升高且具有更强高温胁迫耐受性的转基因植株，为作物品种改良提供了较好的遗传证据和新思路，为更深入地植物响应高温胁迫的机制研究奠定了基础。同时，我们还发现转基因小立碗藓在水分胁迫处理后具有更强的损伤修复能力，可能具有更强的水分胁迫耐受力，为植物抗旱机制研究提供了类胡萝卜素这一条新思路。
	2019-06
学位授予单位	中国科学院昆明植物研究所
学位名称	硕士
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/74057
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	和建芳. 小立碗藓异源表达类胡萝卜素合成基因 HpBHY 和 CrBKT 的研究, Study on heterologous expression of HpBHY and CrBKT in Physcomitrella patens[D]. 中国科学院昆明植物研究所,2019.

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201628010615022+和建芳.（3249KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-ND	请求全文