核苷糖生物合成对棉花纤维和拟南芥根毛伸长的重要性研究

论文摘要

棉花纤维是从胚珠外表皮细胞分化而来的单细胞结构,是纺织工业的重要原料,具有重要的经济价值。同时,棉纤维细胞也是研究细胞伸长、分化和细胞壁合成等重要生物学现象的理想系统。植物初生细胞壁主要由果胶、半纤维素和纤维素等多糖组成。本研究利用蛋白质双向电泳技术,建立了棉花纤维快速伸长期的银染电泳图谱,发现了101个在棉纤维中高表达的蛋白点。又通过MALDI-TOF MS技术鉴定了其中的93个蛋白点,它们由66个基因编码而成。其中43条cDNA全长是首次报道的。继而,又引入了一种代谢途径分析软件KOBAS用于分析这些纤维优势表达蛋白,发现了17条野生型显著上调的生物代谢途径,其中核苷糖转换代谢途径是纤维伸长过程中最显著上调的生物代谢途径。核苷糖是合成细胞壁多糖的活化底物。利用Nano-LC-FTICR-MS技术进一步鉴定了与核苷糖转换相关的7个蛋白点,确定它们是由四个基因UER1、UGD1、UGP1和UGP2编码而成的。乙烯和C24:0处理的蛋白质组学和转绿水平分析表明:乙烯和24碳饱和脂肪酸（C24:0）能诱导UER1、UGD1和UGP1的蛋白和转录水平的显著提高。暗示二者能够通过诱导某些特殊细胞壁多糖的合成,从而导致纤维细胞的伸长。气相色谱分析细胞壁非纤维素多糖成分发现,与胚珠组织相比,快速伸长的纤维初生细胞壁含有显著多的阿拉伯糖、鼠李糖和半乳糖醛酸,而木糖和葡萄糖较少。在胚珠体外培养的培养液中添加UDP-鼠李糖能显著速进纤维的伸长,而加入鼠李糖对纤维伸长没有影响。UER基因的拟南芥突变体uer1-1根毛变短,并且这种表型能够被拟南芥UER1和棉花UER1所互补。MS培养基中添加UDP-鼠李糖能够回复突变体uer1-1的表型,而鼠李糖则不能。在拟南芥乙烯信号突变体ein2-5和超长链脂肪酸合成突变体cut1植株内,AtUER1基因的表达丰度显著降低。UDP-鼠李糖处理能够回复ein2-5和cut1根毛变短的表型。结果表明乙烯和C24:0能够调控UER的表达,从而导致棉纤维和拟南芥根毛的伸长。蛋白质组学、代谢组学和遗传学证据均表明UDP-鼠李糖的合成对棉花纤维和拟南芥根毛的伸长有重要作用。进一步的分析表明,合成果胶多糖前体核苷糖UDP-阿拉伯糖和UDP-半乳糖醛酸的关键基因GAE1和UXE1在纤维快速伸长期显著高调。在胚珠体外培养的培养液中添加果胶前体核苷糖UDP-阿拉伯糖和UDP-半乳糖醛酸能显著速进纤维的伸长,而加入半纤维素前体核苷糖UDP-木糖对纤维伸长没有影响。实时定量PCR结果显示乙烯能够诱导GAE1和UXE1的表达。综合分析表明,果胶前体核苷糖的生物合成对棉纤维细伸长非常重要,并且受乙烯信号的调控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 植物蛋白质组学研究进展
• 1.1.1 植物个体水平的蛋白质组学
• 1.1.2 植物亚细胞器蛋白质组学
• 1.1.3 翻译后修饰研究
• 1.2 棉花纤维伸长机制研究进展
• 1.2.1 棉花的基本知识
• 1.2.2 棉花纤维发育简介
• 1.2.3 棉纤维伸长的功能基因组学研究
• 1.2.4 植物激素与纤维细胞发育
• 1.2.5 棉花纤维性状相关基因的研究
• 1.3 植物细胞壁结构和核苷糖的生物合成
• 1.3.1 细胞壁的结构
• 1.3.2 植物核苷糖的生物合成及其重要性
• 1.3.3 细胞壁组分的生物合成
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 第二章 棉花纤维细胞伸长期蛋白质组学研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 植物材料
• 2.1.2 所用试剂
• 2.1.3 主要实验仪器
• 2.1.4 蛋白质样品的制备
• 2.1.5 双向电泳
• 2.1.6 蛋白质的胶内酶解
• 2.1.7 MALDI‐TOF‐MS 质谱鉴定
• 2.1.8 Nano‐LC‐FTICR‐MS 质谱鉴定
• 2.1.9 全长cDNN 的获得
• 2.1.10 棉花RNA 提取
• 2.1.11 甲醛琼脂糖凝胶电泳
• 2.1.12 RACE 模板制备
• 2.1.13 实时定量PCR
• 2.1.14 KOBAS 软件搜寻棉花纤维特异的代谢途径
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 棉花纤维伸长期蛋白质组学分析
• 2.2.2 棉纤维高调代谢途径的鉴定
• 2.2.3 棉花纤维快速伸长期差异蛋白鉴定
• 2.2.4 二级质谱鉴定核苷糖转换相关蛋白
• 2.2.5 核苷糖转换相关基因的表达谱分析
• 2.2.6 讨论
• 第三章 棉纤维细胞壁的糖成分分析
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 植物材料
• 3.1.2 主要实验仪器
• 3.1.3 植物细胞壁的提取
• 3.1.4 果胶和半纤维素的提取和称重
• 3.1.5 气相色谱细胞壁成分分析
• 3.1.6 纤维素含量测定
• 3.1.7 醛酸糖含量测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 纤维和胚珠细胞壁非纤维素多糖糖组成比较
• 3.2.2 纤维细胞壁中的果胶和半纤维素组成分析
• 3.2.3 纤维和胚珠细胞壁各成分定量分析
• 3.2.4 讨论
• 第四章 乙烯和C24:0 对核苷糖转换相关基因的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 植物材料
• 4.1.2 所用试剂和仪器
• 4.1.3 乙烯处理胚珠离体培养
• 4.1.4 实时定量PCR
• 4.1.5 双向电泳
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 乙烯和C24:0 促进核苷糖转换相关基因的表达
• 4.2.2 讨论
• 第五章 UDP‐鼠李糖合成对棉纤维和拟南芥根毛伸长的影响
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 植物材料
• 5.1.2 所用试剂
• 5.1.3 主要实验仪器
• 5.1.4 蛋白体外表达
• 5.1.5 UER 活性测定
• 5.1.6 体外胚珠培养
• 5.1.7 拟南芥突变体鉴定
• 5.1.8 突变体转基因回复
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 UER 酶活性分析和UDP‐Rha 的合成
• 5.2.2 体外施加UDP‐鼠李糖对纤维伸长的影响
• 5.2.3 拟南芥突变体uer1‐1 的表型回复
• 5.2.4 拟南芥突变体cut1 和ein2‐5 的表型回复
• 5.2.5 讨论
• 第六章 果胶前体核苷糖的生物合成对棉花纤维伸长作用
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 植物材料
• 6.1.2 所用试剂和仪器
• 6.1.3 乙烯处理胚珠离体培养
• 6.1.4 实时定量PCR
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 GAE1 和UXE1 的棉花发育时期表达谱
• 6.2.2 施加果胶前体核苷糖对离体纤维的影响
• 6.2.3 乙烯对棉花GAE1 和UXE1 基因表达的影响
• 6.2.4 讨论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 讨论与展望
• 7.2.1 果胶多糖可能对棉花纤维伸长非常重要
• 7.2.2 乙烯可能是通过促进果胶多糖的合成导致纤维快速伸长的
• 7.2.3 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历