RhWRKY40在乙烯诱导的月季花瓣衰老中的作用

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月季(Rosa hybrid L.)自古以来就是世界上最重要、最具经济价值的观赏植物之一。由于月季花型高贵美丽,色彩缤纷多样,以及香气芬芳袭人,被称为“花中皇后”。然而月季花的开放时间始终是限制其观赏价值和经济价值的重要因素。花朵开放是一种程序化的植物生长发育过程,在此过程中花瓣为了授粉而展开,然后萎蔫或脱落,完成繁衍后代的使命。花器官衰老作为开花过程的最后阶段,会发生许多变化,这些变化多数是程序性细胞死亡引起的,其中乙烯在该过程中起非常重要的调控作用。乙烯被认为是调节植物诸如种子萌发,细胞器官伸长,开花,果实成熟,器官衰老等众多发育过程中的重要植物气体激素。已经证明许多花卉中的花器官衰老与乙烯生成量有关,在这些花中内源乙烯的跃变上升导致花器官衰老。花器官衰老过程是内外影响因子及多种激素共同调控完成的。乙烯和ABA已经被发现是花器官衰老的关键加速因子,细胞分裂素和茉莉酸等则起抑制衰老的作用,然而在衰老过程中这些激素之间的相互作用机制仍然未知。为了研究WRKY家族成员在调节月季花瓣衰老过程中的作用,我们从乙烯处理的月季花瓣的转录组数据中筛选出5个有差异表达的WRKY基因,包括RU58577,RU02827,RU03948,RU25337和RU01910,这5个基因在乙烯处理时表达量都急剧升高。然后用qRT-PCR的方法检测了这5个基因在开花不同阶段的表达模式,结果显示RU02827和RU25337的表达水平在开花早期显著增加。另外,RU58577,RU01910和RU02827的转录本在开花早期增加,开花后期(4-6级)有所降低。有趣的是,RU01910的表达在花瓣衰老前(4级)达到最高水平,然后逐渐降低,这与乙烯在4级月季花中释放量达到最高,随后逐渐降低的趋势是一致的。于是我们选择RU01910重点研究其在月季花器官衰老过程中的作用。RU01910的cDNA序列大约993bp,具有844bp的开放阅读框。序列比对显示RU01910具有保守的WRKY蛋白结构域,并且与拟南芥中的AtWRKY40具有高度的序列同源性属于2A亚组,因此我们将RU01910命名为RhWRKY40。本研究检测了RhWRKY40在花朵开放期间不同器官中的表达。Rh WRKY40的表达水平在月季大多数器官(包括萼片,花瓣,雄蕊和雌蕊)的4-5级持续高表达并呈现最高峰。此后,我们检测了它对于外源乙烯和乙烯肌动蛋白抑制剂1-甲基环丙烯(1-MCP)处理的响应情况。结果表明,RhWRKY40因的表达水平从处理12h开始明显增加,24小时达到峰值,并且在整个乙烯处理过程中持续高表达。然而,在1-MCP处理期间,其表达水平被抑制。因此推测RhWRKY40可能参与调控乙烯诱导的月季花衰老过程。为了鉴定RhWRKY40基因在月季花衰老中的生物学功能,我们用病毒诱导基因沉默(VIGS)技术沉默了月季花瓣中的RhWRKY40。选取RhWRKY40的3’末端区域构建烟草脆裂病毒载体(TRV-Rh WRKY40)以特异性沉默RhWRKY40。实验检测RhWRKY40在沉默的花瓣圆片中的表达与TRV2(对照)相比显著减少,从而证实了沉默效率。与对照(TRV2)相比,在处理第7天后,RhWRKY40沉默的圆片已经开始褪色,第15天后RhWRKY40沉默的圆片颜色几乎褪变成黄色,而TRV对照的圆片的颜色则只是稍微变淡。此外,在第19天后,RhWRKY40默的所有花瓣圆片与TRV2相比完全变黄。同时RhWRKY40沉默花瓣圆片中的离子渗透率和RhSAG12(一个衰老相关基因,作为进入衰老的标志)的表达显着高于TRV2(对照)。本实验还通过VIGS方法在月季组培苗中进一步沉默了RhWRKY40,并观察了其开花持续时间。实验发现RhWRKY40默植株的花朵寿命短于对照植株。在RhWRKY40沉默植株中,花的寿命为9.1±0.0326天,而对照为11.9±0.7382天。为了研究植物激素在其中的作用,我们观察到用乙烯处理后,TRV-RhWRKY40沉默的花瓣圆片和TRV-2的花瓣圆片在水中的第5天开始褪色。此外,圆片在第7天和第15天开始泛黄,与TRV-2(对照)相比,所有TRV-RhWRKY40沉默圆片在15天时都变为黄色,衰老速度比对照快。除了乙烯胁迫外,还用茉莉酸处理该圆片并观察表型。这次的处理圆片在第7天时颜色消失,并且在10天时开始衰老,这比不处理的对照衰老速度慢。但随着实验的进行,随后的几天,TRV-RhWRKY40沉默花瓣圆片表现出比TRV-2抗衰老的表型。在TRV-RhWRKY40花瓣圆片上还研究了另一种激素,其在衰老中具有不同的作用,GA3对衰老具有拮抗作用。在用GA3处理时,TRV-RhWRKY40沉默花瓣圆片中以及TRV-2对照中寿命达到19天,花瓣衰老的数量较少,但TRV-RhWRKY40沉默花瓣圆片明显比TRV-2抗衰老。本研究通过探究RhWRKY4在月季花器官衰老中的分子作用机制,为月季花抗衰老分子育种提供了理论技术和基因储备。
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