水分胁迫下烤烟蛋白质变化和基因表达的差异性研究

论文摘要

2005～2006年,分别采用控水盆栽试验和水培试验研究了干旱和渗透胁迫条件下烤烟叶片蛋白质的表达及叶片和根系基因表达的差异。主要结论如下:1.盆栽试验结果表明,干旱胁迫可诱导烤烟叶片中产生一些大分子蛋白,且分子量为21KD的蛋白亚基在伸根期胁迫处理中稳定出现,并与胁迫程度呈正相关。2.采用水培试验,以聚乙二醇（PEG）为渗透剂对烤烟进行渗透胁迫（-1.2 MPa）处理,用拟南芥基因芯片检测了渗透胁迫下烤烟根和叶片中基因表达的变化。结果表明,渗透胁迫处理48 h后,在拟南芥31 182个基因微矩阵点中,发现有效差异表达（ratio值1≥2或≤0.5）基因135个,其中上调表达50个,下调表达85个。上调表达基因主要是一些与烤烟防御功能有关的基因,如2个普遍胁迫蛋白（USP）和与渗透调节物质海藻糖合成有关的基因ATTPS11及多个参与复制、转录和翻译等过程的基因MAPKK、bZIP、锌指蛋白、组蛋白His1-3、脱水响应DREB转录因子、WRKY转录因子家族、分子伴侣等。下调表达基因主要是与烤烟光合作用有关的基因,如PSⅠ光捕获复合体中的lhca3基因和PSⅡ光捕获复合体中核编码基因的icb1、icb2、lcb5、lcb6、lcb4.2等。试验还检测到叶片中38个未知基因,它们的差异表达可能与渗透胁迫诱导有关,是我们下一步研究的重点。3.渗透胁迫下烤烟根系中有效差异表达的基因有126个,其中上调表达79个,下调表达47个。上调表达基因主要是根系中一些受渗透胁迫诱导参与信号转导的激素（主要是ABA）响应蛋白基因、钙信号响应蛋白基因及蛋白激酶基因。渗透胁迫条件下一些破坏细胞膜系统的水解酶类和物质跨膜运输的载体蛋白基因也在试验中被检测到大量上调表达。而下调表达基因主要是一些与植株体生长发育相关的赤霉素响应蛋白类基因和根系中参与蛋白质降解的泛素连接酶类基因。此外,本试验还检测到烤烟根系中有58个未知功能基因在渗透胁迫下差异表达。4.通过比较烤烟叶片和根系基因表达图谱发现,烟草地上部叶片中受渗透胁迫诱导上调表达的基因主要是一些叶片中的功能基因,而地下部根系中受渗透胁迫诱导上调表达的基因主要是一些感受胁迫刺激并能转导这种信号有关的基因,而无论是地上部还是地下部,下调表达的都是与抑制烟株体正常生理代谢有关的基因。5.本研究结果表明,在烟草基因芯片诞生之前,拟南芥芯片用于烟草基因表达的研究具有一定的可行性。通过分析这些特异表达的基因,揭示出了一些潜在的生物学规律,为研究烟草逆境生理学提供了有价值的信息。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• 1 文献综述
• 1.1 我国水资源现状及开展烟草抗旱基因研究的意义
• 1.2 烟草抗旱的生理生化途径
• 1.3 抗旱基因的研究进展
• 1.3.1 渗透调节物质合成酶基因
• 1.3.1.1 脯氨酸合成酶基因
• 1.3.1.2 与甜菜碱合成有关的酶基因
• 1.3.1.3 甘露醇合成的相关的基因
• 1.3.1.4 果聚糖合成酶基因
• 1.3.1.5 海藻糖生物合成的相关基因
• 1.3.2 清除活性氧的酶基因
• 1.3.3 保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因
• 1.3.3.1 胚胎晚期发生丰富蛋白
• 1.3.3.2 渗调蛋白基因
• 1.3.3.3 脱水蛋白基因
• 1.3.3.4 水通道蛋白基因
• 1.3.4 编码转录因子的调节基因
• 1.4 烟草抗旱基因研究的局限性
• 2 引言
• 3 材料与方法
• 3.1 试验材料
• 3.2 试验设计
• 3.3 测定项目与方法
• 4 结果与分析
• 4.1 水分胁迫对烟草可溶性蛋白质的影响
• 4.1.1 干旱胁迫对伸根期烤烟叶片蛋白的影响
• 4.1.2 干旱胁迫对旺长期和成熟期烤烟叶片蛋白的影响
• 4.2 渗透胁迫对烟草叶片基因表达的影响
• 4.2.1 拟南芥基因芯片检测烟草基因表达的可行性分析
• 4.2.2 芯片数据分析
• 4.2.3 基因芯片结果的重复性分析
• 4.2.4 基因表达谱的结果与分析
• 4.2.4.1 渗透胁迫对烟草叶片叶绿素相关基因的影响
• 4.2.4.2 渗透胁迫对烟草叶片海藻糖代谢的影响
• 4.2.4.3 渗透胁迫对烟草叶片脯氨酸代谢的影响
• 4.2.4.4 烟草叶片部分转录因子对渗透胁迫的响应
• 4.2.4.5 渗透胁迫对烟草叶片蛋白质代谢的影响
• 4.2.4.6 渗透胁迫与烟株体内细胞信号的传导过程
• 4.2.4.7 渗透胁迫下烟草叶片中的分子伴侣
• 4.3 渗透胁迫对烟草根系基因表达的影响
• 4.3.1 芯片数据分析
• 4.3.2 基因芯片结果的重复性分析
• 4.3.3 基因差异表达谱
• 4.3.4 差异表达基因功能分析
• 4.3.4.1 渗透胁迫与烟草根系中蛋白质代谢相关基因的差异表达
• 4.3.4.2 渗透胁迫与根系细胞膜系统和细胞骨架物质相关基因的差异表达
• 4.3.4.3 渗透胁迫与烟草根系中激素响应相关基因的差异表达
• 4.3.4.4 渗透胁迫与烟草根系中糖类和脂类代谢相关基因的差异表达
• 4.3.4.5 渗透胁迫与激酶和信号转导相关基因的差异表达
• 4.3.4.6 渗透胁迫与呼吸作用相关基因的差异表达
• 4.3.4.7 渗透胁迫与其它类型基因和转录因子的差异表达
• 5 结论与讨论
• 5.1 干旱胁迫对烟草叶片蛋白质的影响
• 5.2 烟草叶片和根系中基因表达的差异
• 5.3 渗透胁迫下烟草叶片和根中差异表达的未知基因
• 6 展望
• 参考文献
• 英文摘要
• 附录:攻读硕士学位期间发表及投稿论文