全国统一热线:400-027-0273 注册/登录

行业新闻

PBJ | 利用腋生分生组织特异表达启动子驱动barn

发布时间:2021-12-06 09:18 作者:admin 来源:未知 点击: 字号:

      芽分枝是决定植物结构和影响作物生产力的重要农艺性状。来自芽顶端分生组织(SAM)的分子信号创造的一个激素环境与腋芽特异性抑制因子如BRANCHED1(BRC1)的表达相结合,可以抑制腋芽的形成。通过去掉SAM的分子信号可以促使腋芽发育形成新芽(图1a)。在烟草中,打顶是促进叶片发育成熟的必要条件,但打顶后新芽的生长是不可取的,因为它将资源重新分配到腋芽,降低了主叶的产量和质量。化学方法可以用来控制新芽的生长,但是耗时较长且价格昂贵,烟叶加工后化学物质可能一直存在。因此,对于腋芽起始或芽生长延迟的烟草将显著提高收获的质量。
      2021年12月3日,德国弗劳恩霍夫分子生物学与应用生态学研究所Gundula A. Noll团队在植物科学领域知名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“The tissue-specific expression of barnase in tobacco delays axillary shoot development after topping”的研究论文。该研究利用腋生分生组织特异性表达启动子驱动barnase基因,显著延迟并减少了烟草中新生侧芽的数量、长度和重量,完善了对植物腋生分枝控制的知识体系。
      作者对已有8-10个完全扩张叶片的烟草取样进行转录组数据分析,包括幼叶、SAM、打顶前以及打顶2、6、24和72小时后的腋生分生组织。作者共鉴定到了17个候选基因(图1b)。通过qPCR验证其表达,选择6个最有潜力的基因做进一步分析。利用Gus报告基因,作者分析了在打顶前后腋生分生组织中每个基因相应的启动子,发现其中4个启动子具有非特异性活性,由启动子P#12.5kb和P#152.5kb驱动的gusA表达仅限于腋生分生组织,其中P#15具有更有限的空间域。P#152.5kb::GUS活性在打顶7天后依旧稳定,但P#12.5kb::GUS转基因株系的Gus活性在打顶后不久下降。对P#12.5kb序列分析显示,在-2401~-2407位置存在糖抑制元素TTATCCA。将P#12.5kb缩短至2.4kb(P#12.4kb)没有改变其腋生分生组织特异性,但延长了其活性,P#12.4kb::GUS转基因植株在10天后仍可检测到Gus染色(图1c)。
      Gene#1编码一个BRC1同源物,将其沉默发现在打顶之前就促进了新芽的生长,同时发现由组成型CaMV35S启动子驱动的过表达是致命的,只再生了一个严重生长发育迟缓的转基因株系。Gene#1表达弱的转基因系的芽发育与野生型对照相当,P#12.4kb驱动的gene#1表达仅轻微降低了新芽的生长,可能引发了内源调控或芽形成的正调控因子,如NtBRC2。Gene#15编码一个vicilin-like蛋白,RNAi和过表达都没有产生显著的表型。
      为了选择性地抑制腋芽起始和随后的新芽生长,我们在腋芽特异性启动子P#152.5kb和P#12.4kb的控制下表达了来自淀粉芽孢杆菌的细胞毒性核糖核酸酶barnase,以清除负责新芽形成的细胞。共获得了11株P#152.5kb::barnase转基因植株,其中7株在营养生长过程中未发育出腋芽原基。接下来,我们对Line10和Line11去除SAM,发现即使在打顶1周后也没有发现腋芽原基。这些植物表现出正常的表型,但腋芽起始延迟了至少3周,与野生型对照相比,即使在4周后植株重量也减少了50-79%。其余品系的种子在选择性培养基上未能发芽,这表明p#152.5kb启动子(以及barbase)在种子形成/萌发过程中也具有活性。我们再次分析了P#152.5kb::GUS转基因株系,证实了种子中Gus染色较弱(图1d)。
      由P#12.4kb启动子驱动的Barnase表达也强烈抑制了T0植物的侧芽生长,21株植物中有7株在营养生长过程中没有或只产生少数腋芽原基。同样,将Line55和Line57去除SAM,表明侧芽的生长延迟了至少1周。与P#152.5kb::barnase植株相比,P#12.4kb::barnase植株的种子可以萌发,以便对T1代进行全面分析。将10株L7和9株L23植株与10株载体对照植株进行比较,转基因植株在营养生长过程中也未形成腋芽原基。在打顶后,L7植株的腋芽起始时间延迟了2周。打顶4周后,所有L7植株形成少于8个、短芽(对照平均~16),平均重量减少~65%。7株L23植株在打顶4周后腋芽起始完全消失。L23植株也比对照更小,叶片更薄。
      最后,作者从L7系的3个T1亲本中各选取20个后代进行实地研究。打顶后2周对侧芽的比较分析显示,43%的转基因植株和10个野生型对照形成了>10新芽。然而,45%的转基因植株形成≤5新芽,~12%形成6-10个新芽,证实了在田间条件下该性状的稳定性(图1f)。

      综上所述,该研究发现在腋生分生组织特异性表达的barnase显著延迟并减少了烟草去除SAM后新生芽的数量、长度和重量,完善了对植物腋生分枝控制的知识体系。对于烟草田间种植,该研究结果可能有助于减少化学品的使用和侧芽控制所需耗费的资源。

图1 烟草新芽形成的调控

相关文章Related Articles

  • 四川大学张阳课题组解析

    2022-01-21

    番茄(Solanum lycopersicum)中含有丰富的类胡萝卜素类化合物,是世界上最受欢迎的水果蔬菜之一。类胡萝卜素属于萜类化合物,番茄中类胡萝卜素类化合物...

  • 西南大学何光华/王楠团队连

    2022-01-20

    近日,西南大学 何光华 / 王楠 团队在 THEORETICAL AND APPLIED GENETICS 上连续发表了题为 OsFLA1 encodes a fasciclin-like arabinogalactan protein and affects pollen exine development...

  • 四川农业大学王文明研究团

    2022-01-19

    许多水稻 microRNA (miRNA) 已被确定为调节农艺性状和免疫的微调因子。其中,Osa-miR535靶向SQUAMOSA启动子结合蛋白14(OsSPL14)正向调节分蘖,负向调节产量和免...

  • PNAS | 新发现:外生菌根菌

    2022-01-18

    外生菌根菌(ECM)是真菌与高等植物的根部形成的菌根复合体,宿主和菌根菌的代谢产物通过根皮层细胞间形成菌丝网(哈氏网)进行双向转运。我国有外...


如果您觉得本站还不错,就请分享给身边的好友吧

拨打电话