矮化香蕉赤霉素合成途径相关基因的克隆和功能验证

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矮化突变是香蕉无性繁殖后代中常见的表型变异之一,迄今,对引起香蕉矮化变异的调控机理的研究尚未获得十分清楚的认识。已有的众多研究结果表明,内源赤霉素是影响植物株高的重要激素之一,赤霉素生物合成途径中的关键酶编码基因的突变会导致植物矮化。为探究赤霉素生物合成途径中的关键酶基因在香蕉矮化中的分子调控机理,本试验以威廉斯B6(Musa AAA Group Cavendish Williams)野生型亲本及其矮化突变体为试验材料,根据研究公布的相关基因c DNA序列设计合成引物,通过RT-PCR技术克隆两试验香蕉材料的赤霉素合成途径相关的三个关键酶基因GA2ox、GA3ox、CPS的c DNA序列,并对克隆序列进行测序、序列比对和分析其预测编码蛋白的结构与功能。同时,利用荧光实时PCR技术对克隆基因在两试验香蕉材料的不同发育阶段的假茎、叶片和果实中的转录表达进行定量检测和分析,并构建克隆基因的植物表达载体,进行遗传转化研究其功能。研究获得的主要结果如下:1、克隆得到威廉斯B6矮化突变体和其野生型亲本中的GA2ox、GA3ox、CPS三个基因的相应的六条c DNA序列。将来自矮化突变体香蕉GA2ox、GA3ox、CPS三个基因的克隆序列分别命名为GA2ox-A、GA3ox-A、CPS-A,来自野生型亲本香蕉GA2ox、GA3ox、CPS三个基因的克隆序列分别命名为GA2ox-G、GA3ox-G、CPS-G。测序和序列比对结果显示:GA2ox-A和GA2ox-G的序列长度均为994 bp,开放阅读框均为813 bp,均编码270个氨基酸。二者的氨基酸序列有99.63%的相似性,序列间存在1个位点的氨基酸残基差异;GA3ox-A和GA3ox-G基因的序列长度均为1096 bp,开放阅读框均为864 bp,编码287个氨基酸。二者的氨基酸序列有98.26%的相似性,序列间存在5个位点的氨基酸残基差异;CPS-A和CPS-G基因的开放阅读框全长均为2163 bp,均编码720个氨基酸。二者的氨基酸序列有98.89%的相似性,序列间存在8个位点的氨基酸残基差异。2、GA2ox在矮化突变体叶片、假茎和开花期果实中的表达水平均高于野生型亲本,尤其是在生长前中期的15和20叶龄期,GA2ox在矮化突变体叶片和假茎中的表达水平较野生型高4.3-28.9倍;GA3ox在矮化突变体假茎中的表达水平整体上均低于野生型亲本,其中GA3ox在矮化突变体假茎中的表达水平较野生型低2.2-32倍。但在果实中,GA3ox在矮化突变体中的表达水平显著高于野生型亲本;CPS基因在矮化突变体叶片和假茎中的表达水平均低于野生型亲本。但在果实中,CPS在矮化突变体中的表达水平均显著高于野生型亲本。3、GA2ox-A和GA2ox-G蛋白分子质量分别为30067.30 Da和30085.33 Da,理论等电点分别为5.05和5.04,属酸性蛋白;GA3ox-A和GA3ox-G蛋白分子质量分别为30661.14 Da和30735.28 Da,理论等电点均为9.78,属碱性蛋白。CPS-A和CPS-G蛋白分子质量分别为82412.15 Da和82359.00 Da,理论等电点分别为6.17和6.03,属酸性蛋白。疏水性预测(GRAVY)分析结果发现,矮化突变体及野生型亲本GA2ox、GA3ox、CPS蛋白均属于亲水性蛋白,且均为不稳定性蛋白,均无信号肽,无跨膜结构。二级结构预测结果发现,矮化突变体及野生型亲本GA2ox、GA3ox、CPS蛋白均包括α螺旋、β折叠、延伸链和无规则卷曲四种构象。亚细胞定位预测结果发现,矮化突变体及野生型亲本GA3ox蛋白主要位于线粒体,GA2ox、CPS蛋白主要位于细胞质。保守结构域分析结果显示,矮化突变体及野生型亲本GA2ox、GA3ox、CPS蛋白分别具有GA2ox、GA3ox、CPS基因家族典型的保守结构域。4、构建了GA2ox-A基因的植物表达载体,菌落PCR、测序结果验证了所构建的植物表达载体中克隆基因序列的准确性,完成了构建植物表达载体转化烟草,并且获得10株转GA2ox-A基因再生烟草植株。综上所述,本研究结果揭示了威廉斯B6矮化突变体及其野生型亲本赤霉素合成途径中三个关键酶基因GA2ox、GA3ox、CPS结构间的差异,并且发现GA2ox、GA3ox、CPS基因在矮化突变体及其野生型亲本不同发育期的叶片、假茎和果指中的表达水平均存在显著差异。同时获得转基因再生烟草植株,为进一步研究其功能奠定基础。本研究结果对于揭示香蕉矮秆突变的内在机制具有重要作用。
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