油菜素甾醇对番茄保卫细胞运动的影响及其调控机制

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植物在生长发育过程中,需要与周边诸多环境因子进行协调互作。一方面需要利用环境中的光照、水分、营养等进行生长,另一方面也要应对环境中的高温、干旱、病虫害等胁迫。而气孔作为叶片下表皮上一对保卫细胞围绕而成的小孔,是植物与环境发生联系的重要门户。气孔的形态、密度、开闭状态直接影响植物的产合作用、呼吸作用、蒸腾作用、抗病虫害等诸多生理过程。此外,油菜素甾醇(Brassinosteroid, BR)作为一种重要的植物激素,可以调控植物的生长发育以及缓解多种环境胁迫。BZR1是BR信号转导途径中的重要组分,作为转录因子参与调控多种BR响应基因,并发挥相应的生理功能。因此,研究BR及其信号转导组分BZR1对保卫细胞运动的调控机制,不仅可以丰富对保卫细胞信号转导网络的认识,也为提高植物抗性与发展可持续农业提供重要的理论基础。本研究以番茄野生型Ailsa Craig(AC),BZR1-1D过量表达转基因植株BZP1-1D#23及其背景型中蔬四号(ZS4)为材料,研究了BR对保卫细胞运动的影响;并利用iTRAQ蛋白组学技术揭示了BR诱导气孔关闭过程中的蛋白水平变化及其与生理进程的关系。此外,利用脱落酸(Abscisic acid, ABA)与茉莉酸(Jasmonic acid, JA)相关突变体,从气孔开闭、相关基因转录水平,探究BR在调控保卫细胞运动过程中与ABA和JA的互作。主要研究成果如下:1.BR对番茄气孔具有诱导关闭的效应。随着表油菜素内酯(Epibrassinolide, EBR)处理浓度增加,处理时间增长,诱导气孔关闭的效应也递增。在BZR1-1D#23植株中,内源BZR1-1D的过量表达增强了BR的信号转导,同样也诱导气孔开度减小,说明BR信号途径正向组分BZR1参与BR对气孔关闭的调控。2.利用iTRAQ蛋白组学技术,分析EBR处理与对照以及BZR1-1D#23和野生型保卫细胞中的蛋白组变化,分别鉴定到214与98个差异蛋白。通过对差异蛋白的注释、聚类、功能分析,发现BR可以诱导ABA合成酶AA03与JA合成酶LOX2与LOX15的表达,还可以影响体内ROS的产生与清除。同时,相关的离子通道也受到BR调节,PLCD上调激活Ca2+内流通道,Ca2+结合蛋白CALR与Ca2+通道TPC1受到上调,H+通道也被调节使得胞内H+浓度上升。在细胞骨架与细胞壁重构途径中,还有10个相关的酶发生上调,为保卫细胞的运动提供支持。此外,能量代谢、光合作用、基因表达与蛋白合成加工等途径中也有许多蛋白发生变化。3.通过分析ABA合成突变体sit、JA受体突变体jai1以及相应的野生型在EBR处理下气孔开度的变化,发现BR促进气孔关闭与其促进ABA的合成相关,并且依赖于JAI1介导的JA信号途径。通过分析BZR1-1D过量表达转基因植株中ABA与JA生物合成基因转录水平上的变化,发现在转基因材料中这些相关合成基因均受到上调。据此得出,BR可以通过转录因子BZR1诱导ABA与JA的生物合成来促进气孔的关闭。
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