CBF信号途径在低温下对植物生长的调控及其育种应用

摘要

低温限制作物的种植区域，降低作物产量，是影响植物生长发育的重要环境因子。对低温下植物冷响应信号通路调控植物生长发育和低温抗性的研究，以及通过基因工程手段在保证植物正常生长发育的同时提高农作物抗冷性，已成为植物科学领域重要的研究课题之一。
　　CBF信号途径是高等植物中保守存在的冷响应调控通路，在植物低温响应的基因调控网络中占据核心地位。本研究通过对耐冷物种荠菜（Capsella bursa-pastoris）来源的CBF信号途径下游功能基因CbCOR15a以及上游转录因子基因CbICE53和CbCBF的表达和功能特性分析，评价其在转基因抗冷作物育种中的应用前景，为在生产实践中提高逆境下农作物产量提供优良的候选基因和转化策略。
　　表达特性分析和转基因功能评价显示，CbCOR15a和CbICE53对冷敏植物烟草的抗冷性有明显增强作用，且不引起明显的生长抑制，可作为基因工程抗冷作物育种的候选功能基因。CbCBF转基因烟草在零上适度低温和零下冰冻低温条件下的抗冷性均有显著提高，同时伴随明显的生长受抑制现象。由此，如何消除CBF类基因对植物生长的抑制作用是抗冷作物育种的重要问题。
　　为进一步探索低温下CBF转录因子对植物生长调控的具体通路细节，本研究利用模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana），分析CBF1/2/3基因与赤霉素以及DELLA蛋白的互作，发现CBF1/2/3过表达植株的生长受抑制表型均能被GA3施加部分挽救。CBF1/2/3基因均对植物内源活性赤霉素水平有下调作用，并特异性提高RGL3基因的表达量，富集DELLA蛋白，其中赤霉素失活途径基因GA2ox7是CBF3的直接靶位点。此外，转录组测序分析显示，除赤霉素外CBF1/2/3基因对ABA，生长素和茉莉酸等激素信号途径均有调控，同时显著下调细胞凋亡途径相关基因。说明CBF基因主要通过影响激素和细胞凋亡过程调控植物生长。
　　总体上，本研究分析和评价了耐冷物种荠菜来源的抗冷作物育种候选基因，为多基因的进一步组合共转化策略提供理论支持。同时深入分析了CBF转录因子对植物生长的调控途径，为CBF基因在基因工程中的应用提供理论基础。

目录

摘要

缩略词表

引言

第一章 CBF信号途径对植物生长调控的研究进展

1．1 前言

1．2 CBF介导的信号传导途径

1．3 CBF转录因子受到的正负调控

1．4 CBF途径与赤霉素信号的互作

1．5 CBF途径基因在植物育种中的应用

1．6 总结与展望

第二章 荠菜冷响应功能基因CbCOR15a的功能分析

2．1 前言

2．2 材料方法

2．3 结果和分析

2．3．1 CbCOR15a基因的克隆和序列分析

2．3．2 低温和激素处理下CbCOR15a基因的表达谱

2．3．3 CbCOR15a启动子的克隆及其活性分析

2．3．4 CbCOR15a转基因烟草株系的抗冷性分析

2．4 讨论和总结

第三章 荠菜ICE类似基因CbICE53的功能分析

3．1 前言

3．2 材料方法

3．3 结果和分析

3．3．1 CbICE53蛋白的亚细胞定位

3．3．2 低温处理下CbICE53基因的表达谱

3．3．3 CbICE53转基因烟草株系抗冷的生理指标分析

3．3．4 CbICE53转基因烟草株系抗冻的存活率分析

3．3．5 CbICE53转基因烟草内源冷诱导基因的表达谱

3．4 讨论和总结

第四章 荠菜CBF类似基因CbCBF对植物生长的调控研究

4．1 前言

4．2 材料方法

4．3 结果和分析

4．3．1 CbCBF蛋白的亚细胞定位

4．3．2 低温和激素处理下CbCBF基因的表达谱

4．3．3 CbCBF启动子的克隆及其活性分析

4．3．4 CbCBF转基因烟草株系的抗冷和抗冻分析

4．3．5 CbCBF转基因烟草内源冷诱导基因的表达谱

4．3．6 CbCBF转基因烟草生长状态及细胞周期相关基因表达谱

4．3．7 CbCBF转基因烟草内源激素水平及相关基因表达谱

4．3．8 CbCBF与活性赤霉素的拮抗调控模式

4．4 讨论和总结

第五章 拟南芥CBF基因在低温下抑制植物生长的调控途径研究

5．1 前言

5．2 材料方法

5．3 结果和分析

5．3．1 CBF1／2／3过表达植株的生长状态及其对赤霉素的响应

5．3．2 CBF1／2／3对活性赤霉素的负调控

5．3．3 DELLA蛋白在冷胁迫抑制植物生长过程中的作用

5．3．4 DELLA蛋白在CBF1／2／3过表达抑制植物生长过程中的作用

5．3．5 CBF1／2／3对GA代谢和信号途径相关基因转录的调控

5．3．6 CBF1／CBF2／3对DELLA蛋白含量的富集作用

5．3．7 GA2ox7是CBF3直接调控的下游靶基因

5．3．8 GA和DELLA在低温下对CBF1／2／3及其下游基因的调控

5．3．9 CBF1／2／3过表达植株的转录组测序分析

5．4 讨论和总结

第六章 研究总结与展望

6．1 研究总结

6．2 特色和创新

6．3 展望

参考文献

附录一：本研究中使用的引物列表

附录二：载体图谱

附录三：GO分析结果图

附录四：其他参与研究项目

附录五：基金支持

攻读博士期间发表论文及申请或授权专利列表

攻读博士期间所获奖励

致谢

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