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揭示根部特异表达细胞分裂素氧化酶6促进鹰嘴豆根系发育
日期:2020-05-07 作者:未知 来源:lant Biotechnology Journal 点击:
     豆类是发展中国家素食人口的主要蛋白质来源。其中,鹰嘴豆是一种营养价值极高的豆类作物,富含不饱和脂肪酸、鹰嘴豆异黄酮、铬、铁、粗纤维等营养元素。但由于研究的缺乏,其生长习性还鲜为人知,且鹰嘴豆传统生长在印度、西亚和北非半干旱热带地区的边缘地带,是一种春季作物,除病害外,干旱是制约鹰嘴豆产量的最主要因素。豆科植物可与根瘤菌共生形成固氮根瘤,应用该机制指导生产,通过间作制度提高土壤肥力进而提高其他作物综合产量对农业生产
贡献巨大。研究发现细胞分裂素的时空调控在根瘤结节形成过程中起着非常重要的作用,因此,研究根细胞分裂素水平的调控是否适用于豆科植物具有重要意义。
    近日,Plant Biotechnology Journal 在线发表了印度植物基因组研究所一篇题为“Root- specific expression of chickpea cytokinin oxidase/dehyd rogenase 6 leads to enhanced root growth,drought tolerance and yield without compromising nodulation”的研究论文,介绍了一个鹰嘴豆细胞分裂素氧化酶 6(chickpea cytokinin oxidase 6,CaCKX6)在鹰嘴豆根特异性启动子CaWRKY31 驱动下,可导致拟南芥和鹰嘴豆的侧根数量和根系生物量显著增加,但对其营养生长和生殖生长没有影响。转基因鹰嘴豆株系的根中细胞分裂素氧化酶(CKX)活性增加,表现出较高的根茎比,提高了长期耐旱性。
    植物根系在发育和适应不同的环境条件(如不均匀的水分和营养分配)时具有很强的可塑性。植物激素,尤其是生长素和细胞分裂素在根的生长发育中起着重要的作用。幼根中细胞分裂素促进细胞分化,而生长素局部激活先于侧根原基的产生。本文中,作者基于拟南芥中的研究基础,在鹰嘴豆中通过全基因组比对,鉴定到了一个与拟南芥 AtCKX6 同源的 CaCKX6,CaCKX6 基因长 4935bp,有5个外显子。蛋白质编码序列为 1665bp,编码 554 个氨基酸,结构预测区域具有 FAD-和细胞分裂素结合域,具有细胞分裂素脱氢酶的特性。
    作者对 CaCKX6 展开研究,发现 CaCKX6 基因在根中高量表达,亚细胞定位结果显示其定位在内质网中。在拟南芥中组成型异源超表达 CaCKX6 表现为根部生长健壮而芽生长不良,在 MS 培养基中垂直生长 10 天时,初生根长增加 1.3 倍以上,侧根数增加 2 倍以上,盆栽中培养 10 天,表现出较好的保土能力但嫩枝严重发育不良,生殖成熟期延迟,且花序高度和种子产量均低于野生型植株。此前研究发现,AtWRKY6 启动子调控 AtCKX1 的根特异性表达,与 AtWRKY6 同源性最高的鹰嘴豆 WRKY 被注释为 CaWRKY31,因此作者利用该根部特异表达的启动子连接 CaCKX6,转化拟南芥和鹰嘴豆均发现在没有任何产量损失的情况下增加了根的生物量。
    进一步研究发现 CaWRKY31 驱动的 CaCKX6 表达使 T4 转基因鹰嘴豆植株根系扩大、根系 CKX 活性提高、产量提高,而在芽中 CaCKX6 无特异表达且 CKX 活性提高未改变。转基因鹰嘴豆株系的成熟期平均推迟 15 天,成熟根生物量比对照增加了 1.5-2 倍,总根长增加了 1.5-1.85 倍。转基因株系的株高变化不大,但每株系平均地上部生物量增加了 20%,根冠比增加了 1.7 倍,转基因株系的平均每株种子数也有 15-25%的增长。
    随后作者对根结瘤和固氮作用进行了检测,发现转基因鹰嘴豆根中结瘤形成频率与对照相比没有显著变化。用乙炔还原法测定根瘤全根的固氮能力,发现转基因品系产生等量的乙烯,表明转基因鹰嘴豆品系中的根特异性细胞分裂素降解不影响鹰嘴豆的氮固定,种子平均蛋白质含量与野生型相比也没有任何显著变化最后,作者对转基因植株的矿物质含量进行了检测,发现锌(27-62%)、铜(26-61%)、铁(22-48%)、镁(13-22%)、钾(11-27%)和磷(5-19%)的含量较高。由于干旱是制约鹰嘴豆产量的最主要因素,作者对转基因鹰嘴豆进行干旱处理,对其长期耐旱性进行了评估,结果发现当对照植株的气孔导度、蒸腾速率和 CO 2 同化率分别下降 90%、87%和 83%时,转基因植株的气孔导度、蒸腾速率和 CO 2 同化率分别下降了 46-73%、43-73%和 18-51%,由此证明了根部特异表达CaCKX6 使鹰嘴豆具有了长期耐旱性且不影响产量及根部结瘤固氮能力。
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