生物钟基因响应外源γ-氨基丁酸调节光周期途径促进拟南芥开花的分子机制

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拟南芥的开花转换受到许多环境因素的影响,调控植物开花的环境因素主要包括光照长度,光强和温度。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是一种非蛋白质氨基酸,在植物的生长发育中起着很重要的作用。近来的研究表明GABA能够促进拟南芥的早花表型。在长日照条件下,与喷洒清水的野生型拟南芥相比,喷洒GABA(1mmol/L)的野生型拟南芥开花时间提前了约1周时间。然而其分子机制还远未清晰。本研究从开花途径的关键基因入手,用荧光定量PCR技术,探讨了光周期途径基因、生物钟节律基因的表达模式和GABA之间的关系。阐明了GABA对拟南芥开花的促进作用可能与生物钟节律基因的表达模式有关,从而影响光周期途径决定的早花表型。取得的主要实验结果如下:1. GABA是通过上调光周期途径基因来促进光周期途径下游花整合基因FT的表达。我们分别比较了第2周,第3周,第4周中实验组和对照组开花途径里关键调控基因的在转录水平上表达的差异。结果表明光周期调控的花整合基因FT在第4周表达水平明显上调,实验组的表达量是对照组的7倍;与此同时,实验组的另一花整合基因LFY,花分生组织特征基因AP1及FUL表达量都明显上调,而开花抑制基因FLC的表达量明显下调,同时,蓝光受体CRY1,CRY2转录水平的表达量上调。这一结果表明GABA是通过上调光周期途径基因来促进光周期途径下游基因FT的表达,最终通过FT基因进一步上调LFY,AP1,FUL的表达,使拟南芥开花时间提前。2.生物钟节律基因的表达模式受到GABA的影响而重置。植物开花的光周期途径收到生物钟节律性控制。为进一步研究GABA是否影响了生物钟节律变化,我们还设置了生物钟节律的实验。喷洒清水的拟南芥和喷洒GABA的拟南芥在长日照生长3周后每隔4h取材一次,连续3天取材18次。第一次取材时间是上午11:00,记为ZT0(昼夜时点Zeitgeber time,ZT)。光周期基因都表现出节律性的变化,并且GABA增强了节律性变化的幅度,但是节律性变化的周期并未改变,表明GABA处理重置了生物钟节律,暗示了GABA在早花这一生理过程中的重要意义。3.开花整合基因FT基因的mRNA水平的节律性变化与蓝光受体CRY2基因的mRNA水平的节律性变化一致,而与CO基因的mRNA水平的节律性变化不同步。可能存在着另外一种开花途径参与了GABA调节的开花过程。有趣的是,2种蓝光受体CRY1,CRY2基因的mRNA水平节律性变化水平一致,2种红光受体PHYA,PHYB基因的mRNA水平节律性变化水平同步。此外,CRY1,CRY2,PHYA基因的上调时间在日变化中是一致的。受到GABA上调的CO基因的表达水平的上调时间与此相一致,揭示CO基因的上调可能是CRY1,CRY2和PHYA基因综合调控的结果。总之,我们的实验结果表明,GABA促进拟南芥开花途径的分子机制与昼夜生物钟节律基因表达模式的改变有关,通过调节光周期的开花途径影响早花表型。人工喷施外源GABA的促进拟南芥早花的表型,为农业实践中用GABA调控植物花期提供了新的思路。
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