番茄SlIPT4基因对叶片衰老和果实番茄红素合成的调控研究

摘要

细胞分裂素（CKs）是一类重要的植物激素，在细胞分裂、顶端优势、叶片衰老、根的形成和生长、果实发育、以及适应逆境等多个方面发挥重要作用，但目前关于 CKs 在果实成熟方面的调控还未见报道。异戊烯基转移酶（ isopentenyl transferase, IPT）是CKs合成的限速酶，催化CKs合成的第一步，不同的IPT基因可能调控不同的CKs合成。因此，研究IPT基因的生物学功能对揭示CKs的调控机制具有重要意义。 番茄红素是一种重要的类胡萝卜素，在番茄果实成熟过程中大量积累，并赋予果实鲜艳的红色，是番茄果实成熟的重要特征之一。番茄红素合成和分解代谢过程受到很多因素的调控（包括植物激素），但是对其合成的具体调节机制还知之甚少。 本研究分析了CKs合成基因SlIPT4在番茄中的表达特征以及其对不同激素处理和逆境胁迫的响应。同时，通过超表达和 RNAi 技术对其生物学功能进行了分析。主要研究结果如下： （1）利用RT-PCR技术对SlIPT4进行表达模式分析，结果表明，SlIPT4在嫩叶中具有较高的表达，随着叶片的成熟和衰老，其表达量逐渐降低；在坐果期的子房中（-2 dpa-4 dpa）SlIPT4大量积累，但在青熟期的果实中SlIPT4保持较低的表达水平，随着果实成熟SlIPT4表达量迅速增加，在破色期到红果期增速最为明显，表明SlIPT4可能在番茄叶片衰老、果实前期发育以及成熟过程中发挥重要调控作用。 （2）SlIPT4对不同激素和逆境处理的响应分析表明：生长素（IAA）、乙烯合成前体ACC和乙烯合成抑制剂AgNO3处理对SlIPT4的表达几乎无影响，而生长素抑制剂NPA处理增强SlIPT4基因的表达；脱落酸（ABA）能明显地抑制SlIPT4的表达；干旱胁迫、盐胁迫和水胁迫均能抑制SlIPT4的表达。这些结果表明，SlIPT4可能参与番茄非生物胁迫的适应过程，并受ABA调节。 （3）构建SlIPT4的超表达和沉默载体，利用农杆菌介导的方法分别转化番茄子叶，获得SlIPT4超表达和沉默转基因株系。表型分析发现，SlIPT4超表达株系与野生型植株间的差异不明显，而SlIPT4沉默株系展现出明显的表型变化。 （4）SlIPT4沉默导致番茄叶片加速衰老、叶片中叶绿素含量降低、叶绿素合成正调控基因GLK2表达下调、叶绿素降解正调控基因SGR表达上调、光合作用正调控基因Rbcs3A表达下调，表明SlIPT4可能通过调节番茄叶片中叶绿素的合成及代谢来调控叶片衰老过程。 （5）SlIPT4沉默造成永不变红的橙色果实。色素测定表明，SlIPT4沉默株系的果实中总类胡萝卜素以及番茄红素含量均明显降低。定量PCR分析表明，SlIPT4沉默导致果实中类胡萝卜素合成基因ZISO和ZDS下调表达（ZISO下调最为明显，表达量仅为野生型的20%左右），其他番茄红素合成相关基因（PSY1，PDS，CRTISOs）均上调表达。这些结果表明，SlIPT4可能通过调控ZISO的表达来调控番茄红素的合成。 （6）ABA是番茄红素主要的降解产物之一，在植物适应逆境过程中发挥重要作用。本研究发现沉默株系的番茄果实中ABA含量明显低于野生型番茄果实，暗示沉默株系果实中番茄红素的降低不是由于其降解过程增强，而是由于其合成受阻造成的。定量结果表明，ABA合成相关基因（ZEP、NCED1和NCED2）均上调表达，这一结果与类胡萝卜素合成途径中上游基因 PSY1 和 PDS 的上调表达相一致，验证了ABA与类胡萝卜素（番茄红素）合成之间负反馈调控方式的存在。 综上所述，本研究明确了SlIPT4在番茄叶片衰老以及果实番茄红素生物合成调控网络中发挥重要的作用，对揭示CKs调控叶片衰老以及番茄红素合成的调控机制具有积极的意义。

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