辣椒对低温胁迫的响应与其低温抗性相关基因的克隆和功能分析

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低温是限制植物生长发育和地理分布最重要的非生物胁迫因子之一。辣椒(Capsicum annuum L.)起源于中南美洲的热带和亚热带地区,对低温敏感,其最适合生长温度为21-27℃,低于12℃和高于30℃生长受到抑制。我们试图通过探索辣椒的防御机制,以期提高其耐寒性。本研究以抗寒辣椒品种P70为材料,0.57mMABA溶液喷施幼苗,72h后进行低温处理。一方面探索外源ABA对低温下辣椒幼苗抗氧化酶活性及其基因表达的影响;另一方面利用抑制消减杂交技术(SSH)分离ABA调节的低温抗性相关基因,并对其功能进行分析。主要内容为:(1)为了探索ABA调节的响应低温胁迫反应的生理生化机制,外源ABA预处理后进行低温10℃/6℃(昼/夜)处理。研究结果为:低温引起叶片坏死斑出现,MDA和H2O2含量增加;在遭受低温胁迫72h期间,辣椒MDHAR、DHAR、GR、POD、APX酶活和AsA、GSH含量增加;而在24h期间SOD和CAT活性下降,这些结果表明在CAT失活的情况下,低温启动AsA-GSH循环代谢。常温下ABA预处理引起以上提及的酶活显著增加和AsA、GSH含量的缓慢下降。与仅进行低温胁迫处理相比,在低温胁迫下ABA预处理的幼苗SOD和POD活性增加,而其他的抗氧化酶活性降低,MDA和H2O2含量也表现同步下降;而且相应的Mn-SOD和POD基因被诱导表达。总之,外源ABA能够显著提高SOD和POD酶活及其基因表达,进而增强辣椒对低温诱导氧化胁迫的抵抗性。(2)外源ABA可有效缓解低温对辣椒幼苗的伤害。然而,ABA调节的基础分子机理仍不清楚。为了从ABA预处理的遭受48h低温(6℃)的辣椒幼苗上分离差异基因,我们构建了抑制消减杂交文库(SSH)。总共获得235个高质量的ESTs,拼接成73个unigenes,含有18个contigs和55个singletons。其中37个unigenes(50.68%)与NCBI非辰余数据库中的已知功能基因高度同源;其他36个unigenes(49.32%)同源性低或同源基因功能未知。GO功能注解分析37个unigenes分为9类功能。另外采用qRT-PCR技术对18个基因的表达进行分析:ABA预处理低温胁迫的辣椒幼苗10个基因的表达量比清水处理低温胁迫的植株高2倍多;而ABA+低温处理的幼苗其他8个基因的表达量下调,表达量是遭受低温胁迫对照植株的1/3或更小。这些结果表明在响应低温胁迫反应时,ABA能够有效地正负调节辣椒基因表达。(3)根据SSH文库分离的差异基因,利用VIGS技术进行初步筛选,其中对5个ESTs克隆全长,分别命名为CaNAC2、CaMBF、CaF-box、CaMADS-box、CaDHN,含有完整的开放阅读框(ORF),GenBank登录号分别为JX402928、JX402927、JX402925、JX402926、JZ198814。辣椒CaNAC2开放阅读框为1230bp,属于NAC2亚家族成员。CaNAC2定位于细胞核且具有转录激活活性。CaNAC2主要在辣椒的根和幼嫩种子表达。盐胁迫和ABA处理诱导CaNAC2表达,表明其可能参与ABA介导的盐胁迫反应;而甘露醇和SA处理抑制CaNAC2表达。我们采用病毒诱导沉默技术(VIGS)分析CaNAC2对辣椒抗逆性的调控作用。结果表明:在叶面喷施ABA和清水后进行相同的低温处理下,CaNAC2沉默植株丙二醛含量高于基因未沉默植株(对照),表明CaNAC2沉默引起辣椒膜脂过氧化程度加剧。在ABA+低温处理下,CaNAC2沉默植株过氧化氢含量高于对照;然而,仅进行低温处理的CaNAC2沉默株过氧化氢含量很低,表明过氧化氢可能参与信号转导。与对照相比,高盐胁迫下CaNAC2沉默的离体叶片保持较绿,表明该基因的功能缺失可能与植株保绿有关;而甘露醇处理CaNAC2沉默的离体叶片表型基本没有变化。(4)辣椒CaMBF开放阅读框为420bp,分子量为15.3KD等电点为9.86。CaMBF表达在花和幼嫩种子较高,根中基本无表达。在高盐、渗透胁迫、重金属汞和SA处理下CaMBF表达均受到抑制,而低温诱导其表达。将带有35S的组成型CaMV启动子CaMBF超量表达载体导入拟南芥,结果表明:转基因拟南芥CaMBF受高盐、低温和ABA处理下调表达。转基因植株生长较大,莲座叶的叶长和叶宽分别比对照大70%和60%。将野生型和转基因植株进行低温4℃处理,转基因植株的耐寒性比野生型弱。并且拟南芥CaMBF的超量表达负调节一些逆境防御基因如RD29A、ERD15、KIN1、RD22、PDF1.2和PR2。(5)辣椒CaF-box编码638个氨基酸,属于F-box蛋白超家族的EBF分枝。CaF-box主要分布在茎和幼嫩种子中。ABA、SA和低温处理诱导CaF-box表达;甘露醇处理抑制CaF-box表达。利用VIGS技术诱导CaF-box沉默,与未发生CaF-box沉默植株相比,在低温胁迫下,CaF-box沉默植株丙二醛和电导率增加,表明CaF-box沉默引起辣椒的耐寒性减弱。在高盐和渗透胁迫下,CaF-box沉默离体叶片明显黄化,表明CaF-box沉默植株出现早衰现象。(6)辣椒CaMADS-box开放阅读框为726bp,属于SEP1/AGL2亚家族。CaMADS-box表达量在花中较高,根、叶和种子中几乎无表达。ABA处理对CaMADS-box表达无影响;SA处理12h CaMADS-box表达缓慢下降;而高盐和渗透胁迫CaMADS-box上调表达。辣椒CaDHN开放阅读框为660bp,属于SK2型脱水素。CaDHN主要分布于果实和花中。在低温、高盐、渗透胁迫和SA处理下CaDHN表达增加。
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