紫花苜蓿MsNST的克隆及对木质素与纤维素合成的功能分析

摘要：

[目的]木质素和纤维素是植物次生细胞壁的主要组成成分,是影响牧草消化率和品质的主要因素之一.紫花苜蓿作为高蛋白饲草,是奶牛等草食家畜优质饲草的主要来源.因此,苜蓿木质素和纤维素合成机制一直是受到关注的研究热点.模式植物拟南芥NAC家族的NST转录因子(NAC secondary wall thicking promoting factor)调控次生细胞壁的合成,但紫花苜蓿NST的功能与调控机制尚不明确.本研究通过分析紫花苜蓿NST的表达模式,及在拟南芥与苜蓿中过表达揭示其对木质素和纤维素合成的影响.[方法]通过同源克隆获得MsNST CDs 序列,并对该基因进行生物信息学分析.利用qRT-PCR检测该基因受赤霉素(GA3),水杨酸(SA)和多效唑(PCB)诱导后的表达模式.通过转基因植株中过表达MsNST,研究其对木质素和纤维素含量及其合成相关基因的影响.[结果]克隆MsNS的CDs序列,最大开放阅读框为945bp,编码314个氨基酸.生物信息学分析表明,MsNST主要由无规则卷曲组成(60.83％);三级结构预测显示,MsNST以同源二聚体的形式有效的促进蛋白质间的相互作用.进化树分析表明,单子叶和双子叶分为两个分枝,暗示存在一定程度的进化,而MsNST与蒺藜苜蓿和大豆的NST属于双子叶植物分枝中的亚分枝,表明豆科植物间亲缘关系较近.MsNST与拟南芥NST1-3的氨基酸序列相似性较高(49％-55.9％),并含有NAC转录因子的5个保守结构域.qRT-PCR分析表明,MsNST受GA3、SA和PCB的诱导表达,相对表达水平(12h)分别是对照的2.19、3.67和3.65倍.过表达MsNST导致拟南芥下胚轴缩短,转基因拟南芥半矮化,花序茎束间细胞壁纤维增厚,细胞壁结晶纤维素(1 3％)、总糖(7％)和木质素(11.7％)含量增加.通过分析木质素和纤维素合成相关基因表达水平发现,拟南芥和苜蓿中过表达MsNST均能激活木质素合成关键基因(PAL,4CL等)及纤维素合酶复合体亚基CesA家族基因的表达.[结论]MsNST受外源激素GA3、SA和PCB诱导表达.转基因植物中过表达MsNS可激活次生壁木质素和纤维素合成相关基因的表达,同时茎束间纤维细胞壁增厚,细胞壁结晶纤维素、总糖和木质素含量增加,暗示MsNS对次生细胞壁木质素和纤维素的合成有重要的调节作用.

关键词：紫花苜蓿、NST转录因子、次生壁、纤维素、木质素

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资助基金：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金;中国农业科学院科技创新工程

在线出版日期：2020-11-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共15页

页码：3818-3832