PhSPL17-PhJAZ1介导年龄与茉莉酸信号对毛竹抗虫性的影响

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毛竹(Phyllostachys edulis)属于我国重要的林业资源,病虫害爆发严重,而毛竹的抗虫性在年龄尺度(大、小年交替)上存在显著性差异,其分子基础依然不清晰,因此对毛竹抗虫性差异的研究有着重要意义。前期研究表明,以JAZ(Jasmonate ZIM-domain)为关键蛋白的茉莉酸(Jasmonic acid,JA)信号通路能够影响毛竹的抗虫性;与其他多年生植物类似,毛竹年龄信号蛋白Ph SPL17(SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKEs 17)的表达量在年龄尺度上存在大、小年的节律性变化,且能在转录水平调节毛竹JAZ蛋白(Ph JAZ1)的表达。由此可见,探索毛竹Ph SPL17与Ph JAZ1的互作模式是解析年龄信号影响毛竹抗虫性的关键。本研究首先通过转录组测序对大、小年毛竹叶中SPL及JAZ家族基因的表达模式进行了比较,明确了关键蛋白Ph SPL17与Ph JAZ1能否同时响应年龄与JA信号;在此基础上,通过构建毛竹的瞬时过表达材料完成了对Ph SPL17与Ph JAZ1基因功能的体内验证,进而明确了年龄与JA信号通路关键蛋白间的相互关系。研究结果如下:1、比较大、小年毛竹叶的转录组数据显示,40%以上的差异表达基因与植物激素信号转导、氧化还原酶的功能基团和催化活性有关;毛竹SPL家族基因的Ph SPL17在大年表达较低,在小年表达较高,而JAZ家族基因的Ph JAZ1呈现与Ph SPL17相反的表达模式;明确了Ph SPL17与Ph JAZ1能够同时响应年龄与JA信号。2、通过毛竹内源瞬时转化体系构建Ph JAZ1过表达材料,进行外源茉莉酸甲酯(Me JA)处理后进行转录组测序发现:Ph JAZ1过表达材料与野生型材料之间共有24,663个差异表达基因,KEGG分析发现这部分差异表达基因主要富集于植物激素信号转导、氨基酸生物合成与植物-病原互作等通路;Ph JAZ1过表达材料在Me JA处理前后共有14,699个差异表达基因,野生型材料在Me JA处理前后共有25,388个差异表达基因,KEGG分析显示这两部分差异表达基因主要富集于植物激素信号转导、碳代谢及泛素介导的蛋白质降解等通路。通过对年龄信号基因Ph SPL家族的表达定量发现,Ph JAZ1过表达及Me JA处理能够影响Ph SPL家族基因的表达,包括Ph SPL3-2、Ph SPL6-2、Ph SPL11-1以及Ph SPL17等;明确了Ph JAZ1介导JA信号通路影响毛竹的抗虫性,以及Ph JAZ1过表达能够影响Ph SPL家族基因的表达。3、利用毛竹内源瞬时转化体系构建Ph SPL17过表达材料,并对JA信号通路上Ph JAZ1的下游差异表达基因进行表达定量,发现邻氨基苯甲酸甲基转移酶(Ph ASMT1)、DIR-19(Ph DIR19)、MYB-RAD3(Ph RAD3)、类黄酮O-甲基转移酶(Ph FOMT)等基因表达上调,半胱氨酸内肽酶(Ph VIG)等基因表达下调,这部分基因的表达模式与在Ph JAZ1过表达背景下的表达模式相反;明确了Ph SPL17通过调节Ph JAZ1的表达从而影响毛竹的抗虫性。基于上述实验结果,并结合本团队早期相关研究结果,对年龄与JA信号通路以Ph SPL17-Ph JAZ1为基础共同塑造毛竹在大、小年间抗虫性的差异做出得出如下结论:毛竹Ph SPL17的表达量在大、小年交替过程中存在节律性变化,在大年表达较低,在小年表达较高,并在转录水平上负调控JA信号通路关键基因Ph JAZ1的表达量,导致下游抗虫相关基因的差异表达,从而导致抗虫相关次生代谢物质的差异(单宁、生物碱等),最终造成大、小年毛竹的抗虫性差异。本研究探索了毛竹体内年龄与JA信号通路关键蛋白间的相互关系,丰富了植物中年龄与JA信号通路共同调节抗虫性的理论基础,对后续深入探讨竹林虫害爆发机制有着参考意义。
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