植物生长素受体TIR1的同源物(PagFBL1)可通过与Aux/IAA28互作调控杨树不定根的生长

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中文名:植物生长素受体TIR1的同源物(PagFBL1)可通过与Aux/IAA28互作调控杨树不定根的生长

英文名: The auxin receptor TIR1 homolog (PagFBL1) regulates adventitious rooting through interactions with Aux/IAA28 in Populus

杂志:Plant Biotechnol J. 2018 Jun 27.

影响因子:6.305

研究背景

根在水和养分的获取、维持植物地上生长中起着至关重要的作用。大多数单子叶植物和许多热带、温带湿树林中存在天然的不定根。不定根形成的生物过程复杂多样,按照时间阶段可分为诱导、启动、根原基激活和生长,不同阶段均受到多种因素的影响,如遗传背景、母本生理状态、激素的应用和环境条件等。其中影响不定根发育的最重要的因子则为植物激素,而生长素则起了决定性作用。近年来,在拟南芥上的生长素对不定根的调控已经取得了巨大的科研成果,其可通过生长素信号网络诱导不定根的萌发。研究表明,杨树和拟南芥上对不定根的诱导和发育存在一定的相同点,但是将草本植物上不定根的研究成果应用于木本植物的可行性仍需要进一步的研究。

材料方法

试验材料:银腺杨无性系84K(银白杨X腺毛杨)的枝条

试验内容:

1、ProPagFBL1::GUS试验;构建过表达(OE)和干扰(KD)PagFBL1载体并转染,培育转基因植株,进行表型测定

2、在不定根诱导的0,12,24和48 h采集茎部样品,进行转录组测序

3、双分子荧光互补技术、酵母双杂交实验

测序平台:北京百迈客生物科技有限公司 Illumina Hiseq 2500 PE125

研究结果

1、PagFBL1在不定根发育中具有时空表达差异

GUS信号在剪切后的0h主要在茎形成层和未成熟的木质部存在,随后在不定根诱导的2天后,越来越多的GUS信号聚集在形成层和次生韧皮部,3~4天,形成层、次生韧皮部和皮层的不定根原基细胞中出现GUS信号。在不定根诱导5天后,GUS信号在不断增大的根原基逐渐降低并在第六天消失。结果表明,PagFBL1会参与不定根生成的初期阶段,如诱导和萌生期,可参与生长素信号通路从而调控不定根的诱导和萌生。

图1、不定根生成时期PagFBL1的表达模式

2、在转基因群体里过表达和干扰PagFBL1对不定根形成的影响

相较于野生型,过表达株系(OE)更早的出现了不定根且在不同时间点,其有不定根的茎叶所占比例更高,生根率达到100%的时间比野生型早6h。此外,OE植株的生根量也显著增加,且在土壤中种植5个月后,对其总根长度、根面积和根的鲜重与干重进行测定,发现OE植株含有更大的根系,且在使用IAA处理移植叶片后趋势相同。在PagFBL1 KD株系,这种现象在使用IAA处理移植叶片后也是延迟出现的。此外,与OE和野生型的株系相比,KD的不定根的数量和生物量显著下降。结果表明,PagFBL1对杨树不定根的形成有重要作用。

图2、过表达、干扰和野生型植株不定根生成比较

3、过表达PagFBL1刺激转基因杨树基因表达的重塑

使用Illumina测序技术进行转录组分析从而鉴定影响不定根生成的差异表达基因。不论在野生型还是过表达植株里,0h与12h的差异表达基因均多于12h vs. 24h和24h vs. 48h比较组。因此,在不定根诱导和萌发的前12h发生了大量基因的重塑。OE植株在前12h增加1518个差异表达基因,其中有119个基因在野生型的12h vs. 24h中出现(图3)。这些结果表明,PagFBL1基因的高表达会增强促进不定根形成的基因的表达变化。

    

图3、差异表达基因分析

随后,对这些差异表达的基因进行COG分析,发现在OE植株#18和野生型中,与其他时间点相比,在前12h,参与信号转导的大量基因被激活。在#18植株中,前12h有大量的DEGs仅富集于植物激素信号转导通路,其中有26.9%的差异表达基因富集到了生长素通路中(图4)。这些基因包括:5个细胞色素P450家族成员、1个Cullin-1 (CUL1)、7个E3泛素蛋白连接酶、4个26S蛋白酶体蛋白、2个IAA28家族、3个ARFs基因和3个GH3家族。利用qRT-PCR对这些基因的表达量进行统计分析,发现其表达趋势与RNA测序得到的RPKM趋势相似。ARF5.1,ARF5.2,GH3.1GH3.6 在不定根的诱导中高表达,其中在OE中表现的更明显。在不定根诱导中参与IAAs和ARFs的结果表明在诱导和萌发期,生长素可通过FBL1-IAA-ARF信号促进不定根的形成。

图4、差异表达基因功能聚类分析

4、PagFBL1通过PagIAA28.1PagIAA28.2作用生长激素信号通路

使用双分子荧光互补技术,将15个Aux/IAA基因共转染到烟草叶片,发现只有在nYFP-PagFBL1与 cCFP-PagIAA28.1 和cCFP-PagIAA.28.2共转染后(图5a)才会发现YFP荧光蛋白信号,且生长素浓度越高,信号越强,而在其他组合中,只发现了DAPI信号(图5b)。

基于双分子荧光互补研究结果,进一步进行酵母双杂试验。结果表明,PagFBL1PagIAA28.1PagIAA.28.2均有很强的结合,由此证明他们参与杨树茎段不定根的诱导过程。

图5、验证试验

亮点总结

1、好的试验设计,是文章出彩的前提

2、故事一定要有完整性,环环相扣,由浅入深,才能吸人眼球

3、多种技术手段联合应用,表型数据和测序数据相辅相成,互相印证,才能让研究更具说服力

 

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