油菜素甾醇调控甘蓝型油菜生长发育的机制及研究激素处理影响胚珠发育的简易方法

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油菜素甾醇(Brassinosteroids,BRs)是一类重要的植物激素,在模式植物拟南芥和水稻中的研究发现BR可促进植物生长发育,提高种子产量。甘蓝型油菜是我国主要油料作物之一,与拟南芥相近,研究其BR信号及其调控生长发育的机制可为油菜增产提供依据和线索。本论文对比甘蓝型油菜与拟南芥中的BR信号相关基因,发现甘蓝型油菜中存在与拟南芥保守的BR合成基因以及BR信号转导通路中的重要组分基因。并以沪油15为材料,对这些基因进行了组织表达分析,发现BR合成基因与信号组分在花和幼嫩种子中表达更高。生理实验结果表明,低浓度BR处理促进油菜幼苗根的生长,高浓度BR处理抑制油菜幼苗根的生长,与拟南芥相比,油菜幼苗的根对BR反应更敏感,但幼苗的下胚轴对BR反应敏感度低;BR合成抑制剂BRZ(Brassinozole)处理抑制暗下幼苗下胚轴的伸长。BR处理降低BR合成基因的表达水平,BRZ处理则相反,表明油菜中BR信号增加能反馈抑制BR合成,这种反馈抑制机制与拟南芥保守。烟草瞬时表达实验发现甘蓝型油菜中与拟南芥BR信号诱导的转录因子BZR1基因同源的Bn BZL2基因编码的蛋白Bn BZL2定位在细胞质和细胞核中,BR处理可增加Bn BZL2的核定位。Western blot检测发现BR处理可增加去磷酸化Bn BZL2的比例,可推测BR对Bn BZL2的活性调控与拟南芥中BR对BZR1的调控机制相似。模拟拟南芥bzr1-1D功能获得性突变体对Bn BZL2蛋白进行点突变(Bn BZL2*),构建载体转化拟南芥,暗下生长的转基因植株幼苗对BRZ处理不敏感,暗示Bn BZL2*可提高转基因植株的BR信号水平。上述结果表明甘蓝型油菜中存在与拟南芥保守的BR信号通路和调控机制。胚珠是植物种子的前体,胚珠的质量和数量直接影响种子的质量和数量,研究胚珠的发育过程和调控机制具有重大的科学意义。胚珠发育受到发育信号、激素信号以及环境信号的多重调控,已有报道表明在模式植物拟南芥中,激素信号对胚珠发育具有重要的影响,已知的有生长素、细胞分裂素以及油菜素甾醇等。这些报道一般是先发现激素突变体的胚珠异常表型,通过观察表型并研究调控机制来确定激素的调控作用。但是激素突变体往往在营养生长阶段就有缺陷,因此胚珠异常表型可能来自于间接调控的结果。研究激素对胚珠发育的直接影响相对比较困难。外源激素处理是一种重要的研究激素对胚珠发育影响的手段,但是由于胚珠包裹在多重组织器官之内,直接对胚珠进行激素处理往往会遇到稳定性和可重复性的问题。目前活体植物胚珠的激素处理运用最多的是针对花的喷洒法,由于环境影响湿度影响导致蒸发效率不同,以及不同植株的组织吸收喷洒激素的程度不同,喷洒法的效果不是很稳定。本研究设计了一种简单的不离体花序处理方法,可以简单有效稳定的对单个花序进行处理,而不影响其他的的部位。使用外源油菜素甾醇(BR)进行处理,确认了我们和其他实验室前期工作结果,BR促进胚珠发育,并且我们的处理方法比喷洒法更稳定,得到的结果更明显。还有少数报道提及胚珠的体外培养,认为在体外培养胚珠可方便的对培养材料进行观察和处理,但是已有报道采用的都是分离单个较大胚珠的方法,研究的胚珠发育阶段也较晚,如接近受精时期的胚珠或受精后的胚珠。这种方法并不适合研究早期胚珠发育,并且分离的胚珠直接放在体外培养系统中有相当部分会因为胁迫造成畸变。因此我们也设计了两种简单有效的离体培养系统,分别是培养离体的花和离体的雌蕊(需要维持系统的高湿度),来观察胚珠的发育过程以及激素对胚珠发育的调控。我们的体外培养结果表明,从8期离体培养的花和雌蕊可以发育至11期,甚至少部分的胚珠可以发育至12期。从9期开始离体培养的花和雌蕊可发育至12期的比例大幅提高,说明我们的体外培养系统不影响胚珠正常发育。使用外源e BL处理发现,BR促进胚珠的发育,BR处理后离体花和雌蕊内胚珠发育较对照组更快。而BR合抑制剂BRZ处理则使胚珠发育减慢。我们的BR处理结果表明我们的体外离体花和雌蕊培养和处理系统简单有效。
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