烟草Nt14-3-3基因参与耐受低钾和高盐胁迫的功能研究

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14-3-3蛋白是存在于多细胞真核组织中高度保守的调节分子,通过与不同靶蛋白相互作用,在植物的生命进程中发挥着重要的调控功能。对植物14-3-3蛋白的研究集中在拟南芥中,在烟草中对14-3-3蛋白的研究较少,尤其是分子调控机制方面。所以本研究通过一系列生物信息学分析及生物技术手段研究了烟草Nt14-3-3基因响应低钾和高盐胁迫的分子机制,得到了七个主要结论:(1)通过同源克隆的方法,设计引物从普通烟草K326的cDNA中扩增得到2个14-3-3基因的CDS序列,命名为14-3-3a及14-3-3b,长度分别为783bp及759bp;并从K326的总DNA中扩增得到了2个14-3-3基因的基因组全长序列,长度分别为5111bp及3069bp。生物信息学分析发现2个14-3-3蛋白都含有多个磷酸化位点以及由9个相对保守的α螺旋组成的蛋白结构,是植物14-3-3蛋白典型的结构特征。(2)qRT-PCR分析结果表明,2个14-3-3基因在烟草的各个组织中均有表达,但在幼苗根部的表达水平最高。诱导表达分析表明,2个14-3-3基因的表达水平,受到逆境胁迫因子以及信号分子的显著诱导。其中,只有在ABA处理下两个基因的表达模式较为相似;而2个14-3-3基因对低钾、高盐、H2O2和4℃胁迫的响应模式存在明显差异。构建pBWA(V)HS-14-3-3b-Glosgfp融合表达载体,注射本生烟草叶片观察荧光,结果显示烟草14-3-3b蛋白在细胞的各个组织中均有分布。(3)转14-3-3b烟草植株耐受低钾分析表明,过表达14-3-3b的转基因烟草表现出更高的低钾胁迫耐受性。具体表现为:低钾胁迫条件下,转基因烟草的种子萌发速率显著高于野生型,主根生长受到抑制并刺激了根毛和侧根的生长。转基因烟草的叶绿素含量、钾含量、过氧化物酶活性和丙酮酸激酶活性显著高于野生型。低钾胁迫响应相关标记基因检测结果显示,ABA生物合成基因,ROS清除基因以及胁迫防御基因在过表达植物中表现出明显的上调作用;钾通道基因以及钾转运体基因显示出部分上调。(4)在高盐胁迫条件下,过表达植物在各个生长时期的生长情况均比野生型要好。与野生型相比,从生理水平来看,叶绿素含量、K/Na含量比、过氧化物酶活性明显比野生型要高,但H2O2的积累量明显较少。(5)通过酵母双杂交试验,从22个CIPKs中筛选出了7个能够与14-3-3b相互作用的CIPKs蛋白。在与14-3-3b互作的CIPKs中均发现了能与14-3-3蛋白互作的保守结合基序。CIPK25中含有的结合基序符合模式I,即(R/K)XX(pS/pT)XP;CIPK2,CIPK7,CIPK9,CIPK20,CIPK22、CIPK23含有的结合基序符合模式II,即(R/K)XXX(pS/pT)XP。并进一步用筛选出的7个CIPK蛋白检测与5个钾离子通道蛋白的互作情况。CIPK7、CIPK9以及CIPK25能与NKT2、NKT3、NKT4、NKT6以及NtKC1这5个钾离子通道蛋白互作。(6)利用双酶切法,成功构建了带有His或GST蛋白标签的重组原核表达载体。利用SDS-PAGE的方法也检测到分子量约为56kDa的目的蛋白,与预测的14-3-3b蛋白分子量相符。同时也检测到了分子量约为54 kDa的目的条带,与预测的3个CIPKs蛋白分子量一致,并进一步通过体外pull-down实验验证了其中3个CIPKs与14-3-3b的互作情况。(7)转录组测序结果表明,转基因株系和野生型在低钾胁迫下的DEGs主要富集在碳代谢,氧化磷酸化,RNA转运、调节转录以及氨基酸合成等植物代谢途径中。进一步筛选差异基因进行qRT-PCR验证,分析得出14-3-3b可能是通过增强CIPK蛋白激酶基因、钾离子通道基因、钾离子转运体基因以及H+-ATP酶基因的转录水平,从而在烟草低钾胁迫响应过程中发挥重要的调控作用。
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