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产学研动态

生命学院栗茂腾教授课题组揭示了干旱胁迫基因参与甘蓝型油菜油脂积累的机制

日期:2019-04-12 发布者:


甘蓝型油菜(Brassica. napus)是最为重要的油料农艺作物之一,研究其其油脂的合成和代谢对于培育高含油量的油菜品种具有重要意义。在模式植物拟南芥和甘蓝型油菜中,油脂主要是以甘油三酯(triacylglycerols,TAGs)的形式储存在种子里。目前,针对促进油脂积累研究多集中在甘油三酯合成和降解方面。干旱胁迫会对植物生长产生不利影响,但干旱胁迫响应基因在植物油脂合成和代谢方面的作用与机理则研究相对较少。

4月10日,我校生命学院栗茂腾教授课题组在国际植物学领域知名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为Drought responsive genes, late embryogenesis abundant group3 (LEA3) and vicinal oxygen chelate (VOC), function in lipid accumulation inBrassica napusandArabidopsismainly via enhancing photosynthesis efficiency and reducing ROS的研究论文。本文揭示了干旱胁迫基因LEA与VOC可通过提高光合效率,降低活性氧对植物细胞的伤害,从而保证了干旱情况下甘蓝型油菜与拟南芥中含油量的稳定,以及提高了正常环境下种子中油脂的积累。


  栗茂腾教授 黄冈师范学院 国家自然科学基金


LEA作为一个小分子蛋白,在非生物胁迫中可起到稳定细胞膜结构和中和因胁迫脱水而增加的离子的作用,从而使得细胞内的胞内渗透压环境保持稳定。甲基乙二醛(methylglyoxal,MG)是碳水化合物和油脂新陈代谢过程中产生的有害副产物,VOC基因主要编码蛋白为甲基乙二醛酶I(Glyoxalase I ,GLYI),其可在谷胱甘肽的作用下可以对MG起到降解和转化,从而帮助植物应对非生物胁迫。在这项最新的研究中,栗茂腾教授研究团队首先从甘蓝型油菜(AACC,2n=38)克隆了干旱胁迫相关基因BnLEA和BnVOC各4个拷贝,以及拟南芥同源的AtLEA与AtVOC基因,并分别构建了种子特异表达启动子和CaMV35S启动子的超表达载体;结果显示在拟南芥中超表达LEA和VOC基因的转基因后代不仅抗旱性增强,而且种子含油量也有了显著提高。同时,种子千粒重也有所提高;而拟南芥atlea3突变体和AtVOC基因的RNA干扰后代在干旱胁迫下的抗旱性和含油量则均明显下降,突变体遗传回补则可明显使抗旱性和含油量表型回补。热成像与显微切片结果显示,atlea3与AtVOC-RNA干扰后代的种子发育和叶表形态温度等均会受到干旱影响。同时,在甘蓝型油菜中也进行了多个拷贝的BnLEA与BnVOC的超表达载体、BnLEA与BnVOC的RNA干扰载体进行了遗传转化,在转基因后代出现了相应的抗旱性与含油量的表型。并且,相比于正常生长栽培环境,在干旱胁迫的情况下,LEAVOC基因的对含油量对作用效果更为显著。为进一步验证LEA与VOC基因的功能,对单基因的拟南芥和甘蓝型油菜转基因后代均进行了杂交,包括正向调控株系和反向调控株系。相比于单基因的转基因后代,杂交后代的含油量表型变化更为显著。这说明作用机制不同的干旱胁迫响应基因均可对植物油脂的积累产生影响。

  栗茂腾教授 黄冈师范学院 国家自然科学基金

图为拟南芥与甘蓝型油菜杂交后代表


为揭示干旱胁迫基因在油脂积累中的作用机理,本文选取超表达BnLEA,BnVOC,AtLEA,AtVOC以及atlea3突变体和AtVOC-RNAi植株的种子和叶片,进行了长期和短期干旱胁迫下多个组合的转录组测序分析。结果表明,LEA基因可使光合作用相关路径、油脂合成网络路径上的基因表达上调;而VOC基因则可在油脂降解、乙醛酸代谢以及含氧化合物代谢网络上起到作用。针对转录组测序获得的差异表达结果,通过进一步的光合效率测定以及活性氧代谢系统中相关酶学和代谢物实验验证,证实了LEA基因可以在干旱胁迫的情况下,通过稳定细胞膜结构,使得胁迫环境下油脂合成可以正常进行,并有效提高光合效率,产生更多的有机物供给,实现植物油脂合成的增加。VOC基因可以降低甲基乙二醛和活性氧的含量,并使下游的油脂降解降低,从而促进了植物种子中油脂的积累。本研究结果为油料作物的含油量的改良育种提供了新的思路和依据。

本论文的通讯作者为我校栗茂腾教授,第一作者为梁语博士,来自我校大学生创新创业训练计划项目小组成员,山东师范大学,湖北工程学院,黄冈师范学院的研究者也参加了相关研究工作。本研究得到国家973项目、国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13127


  栗茂腾教授 黄冈师范学院 国家自然科学基金

2 LEAVOC基因调控模式


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