拟南芥磷饥饿不敏感突变体psi-1生理和遗传特性的研究

论文摘要

磷是植物生长发育不可缺少的大量元素之一。植物在长期的进化过程中形成了各种对磷营养缺乏的适应性机制。其中根构型的改变对于植物有效吸收和利用土壤中的磷具有重要作用。因此研究植物在磷胁迫环境下根构型变化的分子机制，进而对其进行遗传改良具有重大的理论与实际意义。目前对低磷条件下引起根构型变化的生理、遗传与分子机制知之甚少。本研究筛选到了一个对磷饥饿不敏感的拟南芥突变体（命名为psi-1：Phosphate starvation insensitivel），并对该突变体的生理与遗传机制进行了研究，得到以下结论：1．psi-1突变体对低磷胁迫不敏感。与野生型（Col）相比，psi-1突变体主根伸长受低磷（15μM Pi）抑制的程度大大降低；侧根密度，根毛密度和长度受低磷诱导的程度明显减弱；地上部花色素苷累积显著减少，能保持相对稳定和正常的主根尖细胞伸长与分裂。这些表型在突变体中是磷饥饿特异的。2．对8DAG苗龄的psi-1突变体及野生型地上部和根部磷含量的测定结果表明，在低磷下，psi-1突变体和野生型根部总磷和无机磷含量均没有显著差异，但在地上部，psi-1突变体总磷含量和无机磷含量都要显著高于野生型。表明psi-1突变体在低磷胁迫下吸收Pi的能力较强。3．通过对一系列磷饥饿诱导基因表达的研究发现，psi-1突变体对磷饥饿的响应程度降低。4．低磷胁迫时psi-1突变体保持生长素向主根根尖部位转运的能力比野生型强。但是，psi-1突变体与野生型对外源施加生长素的敏感性没有显著差异。利用DR5：：GFP WOX5：：IAAH转基因株系研究表明，在低磷条件下，psi-1突变体比野生型能够维持更高的生长素浓度可能并不是psi-1突变体在低磷条件下维持长根表型的原因。5．在低磷胁迫下，psi-1突变体与Col回交以及与低磷下短根基因型Shahdara（Sha），Wassilevskaja（WS）杂交的F1株系根长表现为亲本中间型，表明PSI-1是一个部分显性基因。psi-1突变体与三个短根基因型杂交F2代分离均呈连续性的双峰分布，且偏向于中、短根，说明psi-1突变体的长根表型是由单基因控制的。6．利用psi-1突变体与Sha杂交获得的F2群体进行的QTL分析，检测到了两个与低磷调控根长相关的QTLs，分别在第一和第三条染色体上。利用psi-1突变体与Sha和WS杂交获得的F2群体进行图位克隆分析，psi-1与第三条染色体上的LPR2等位。LPR2位点上的变异对拟南芥磷饥饿反应具有重要的作用。LPR1的作用依赖于PSI-1在LPR2位点上的作用。7．遗传分析表明，PSI-1基因与SUMO E3连接酶SIZ1存在可能的互作关系。

论文目录

• 致谢
• 缩略词表
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.低磷改变根系构型的生理机制
• 1.1.根构型在低磷条件下的变化
• 1.1.1.低磷对主根和侧根的影响
• 1.1.2.低磷对根毛发育的影响
• 1.1.3.簇生根的形成
• 1.2.植物激素在低磷调控根构型变化中的作用
• 1.2.1.生长素在低磷调控根构型中的作用
• 1.2.2.其它激素对低磷下拟南芥根构型的影响
• 1.2.2.1.细胞分裂素的作用
• 1.2.2.2.乙烯的作用
• 2.低磷调控根构型变化的分子机理
• 2.1.细菌和真菌的磷胁迫调控机制
• 2.2.植物磷反应信号传导机制的研究进展
• 2.2.1.植物磷胁迫调控根构型的系统调控与局部反应
• 2.2.2.植物磷饥饿信号途径的研究进展
• 3.低磷调控根构型的遗传机制
• 3.1.低磷下拟南芥根构型存在丰富的自然变异
• 3.2.低磷调控拟南芥根构型基因的研究
• 第二章 突变体的筛选和表型分析
• 1.材料与方法
• 1.1.材料
• 1.2.方法
• 1.2.1.拟南芥种子表面灭菌
• 1.2.2.拟南芥的培养条件
• 1.2.2.1.培养皿培养条件
• 1.2.2.2.拟南芥固体培养条件
• 1.2.3.突变体的筛选
• 1.2.4.根系参数的测量
• 1.2.5.各种缺素处理
• 1.2.6.根尖组织切片制作方法
• 1.2.7.根尖淀粉粒染色方法
• 1.2.8.突变体与CycB1,1∷GUS株系的杂交和组织染色
• 1.2.9.磷梯度实验
• 1.2.10.磷含量的测定
• 1.2.11.花色素苷含量的测定
• 2.结果
• 2.1.突变体的筛选
• 2.2.突变体根系构型的特点
• 2.3.psi-1突变体在低磷下花色素苷累积减少
• 2.4.psi-1突变体能够在低磷条件下维持根尖柱细胞的发育
• 2.5.psi-1突变体地上部表现出低磷抗性而在高磷条件下与野生型没有显著差异
• 2.6.psi-1突变体能够在低磷下保持分生组织细胞的伸长和分生组织细胞的分裂能力
• 2.7.psi-1根系表型的营养特异性
• 2.8.psi-1突变体有较强的吸收磷和在地上部累积磷的能力
• 3.讨论与小结
• 第三章 psi-1突变体磷饥饿特异诱导基因的表达
• 1.材料与方法
• 1.1.材料
• 1.2.方法
• 1.2.1.拟南芥材料的准备
• 1.2.2.植物总RNA的提取
• 1.2.3.mRNA逆转录及实时定量PCR分析
• 2.结果
• 3.讨论与小结
• 第四章 psi-1突变体对生长素信号的响应
• 1.材料与方法
• 1.1.材料
• 1.2.方法
• 1.2.1.与DR5∷GUS株系的杂交和GUS染色的方法
• 1.2.2.拟南芥的培养和各种激素处理的方法
• 1.2.3.拟南芥IAM处理
• 2.结果
• 2.1.psi-1突变体能够在低磷下维持生长素向根尖的运输
• 2.2.生长素前体物质对突变体根长的影响
• 3.讨论与小结
• 第五章 psi-1突变体的遗传分析
• 1.材料与方法
• 1.1.材料
• 1.2.方法
• 1.2.1.F2群体的构建及遗传分析
• 1.2.2.F2群体DNA提取
• 1.2.3.QTL定位分析的方法
• 1.2.4.图位克隆的方法
• 2.结果
• 2.1.遗传分析
• 2.2.QTL分析结果
• 2.3.基因定位
• 3.讨论与小结
• 第六章 PSI-1与SUMO E3连接酶SIZ1的互作
• 1.材料与方法
• 1.1.材料
• 1.2.方法
• 1.2.1.F2群体的构建和遗传分析
• 1.2.2.F2群体DNA提取
• 1.2.3.SIZ1引物的设计
• 1.2.4.PCR和定量PCR
• 2.结果
• 2.1.遗传分析和SIZ1基因在F2群体中的表达情况
• 2.2.psi-1突变体中SIZ基因的表达模式
• 3.讨论与小结
• 结论与展望
• 1.结论
• 2.展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文