大豆独脚金内酯合成和信号路径相关基因全基因组分析及几个GmMAX基因功能分析

摘要

独脚金内酯(SLs)是一类新发现的植物激素，广泛参与植物的生长发育，并参与植物根系与土壤微生物的互作。独脚金内酯类化合物能够刺激丛枝菌根(AMF)菌丝的分枝和促进根寄生植物的种子萌发。豆科植物，如蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)能够与根瘤菌形成植物-细菌互惠共生关系，通过根瘤这一特殊的器官进行固氮作用。独脚金内酯能够调控根系生长，茎的分枝，植物-微生物共生体的产生，同时还能够响应缺磷和各种逆境胁迫。尽管最近在模式植物中对独脚金内酯进行了大量的研究，然而大豆中独脚金内酯的生物合成及信号传导研究还很少。
　　本研究中我们克隆了大豆独脚金内酯合成酶基因和信号传导基因。我们研究了大豆GmMAX1，GmMAX2，GmMAX3和口GmMAX4，以及GmD14，GmD53，GmD27和GmPDR1等独脚金内酯的合成酶基因和信号传导基因在不同组织中的表达模式，以及在外界非生物逆境胁迫下的表达。同时我们还检测了根瘤菌感染后大豆根以及大豆根瘤不同发育阶段的相关基因的表达情况。为了进一步研究GmMAX的基因功能，我们构建了GmMAX1a，GmMAX2a，GmMAX3a和GmMAX4a四个基因的GmMAX-RNAi载体。
　　我们利用含有GmMAX-RNAi载体的农杆菌转化大豆产生转基因嵌合大豆植株，进一步研究SLs合成及信号转导基因对大豆结瘤的影响。定量PCR检测发现GmMAXs基因的转录水平在转基因发根中显著降低。与对照相比，GmMAX1a-KD，GmMAX2a-KD，GmMAX3a-KD和GmMAX4a-KD的发根结瘤数目明显减少;定量PCR检测结瘤相关基因的转录水平也发生了显著变化。敲低大豆发根中GmMAX1a，3a,and4a的表达水平导致生长素含量下降但是茉莉酸和脱落酸含量上升;而敲低发根中GmMAX2a的表达，吲哚乙酸和茉莉酸水平均显著增加但是脱落酸相比对照而言却没有太大的变化。我们进一步分析了GmMAX2a和生长素之间的联系，发根中GmMAX2敲低以后YUCCA和TAA1一类基因的表达收到了抑制并最终导致生长素水平升高。然而大豆GmYUC过表达发根中GmMAXs基因和GmD14基因的表达被上调，而下调了独脚金内酯信号传导抑制子GmD53的表达，这表明独脚金内酯与生长素、茉莉酸和脱落酸之间存在cross-talk。本研究揭示了独脚金内酯生物合成和信号传导参与调控大豆结瘤，同时可以影响其它植物激素的含量和相关基因的表达。