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《山东农业大学》 2017年
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番茄SUMO E3连接酶SlSIZ1的功能分析

张耸  
【摘要】:植物在生长发育过程中会遭受多种非生物胁迫,例如强光、干旱、极端温度等,对植物的正常生理活动和生长发育产生显著的影响。翻译后修饰是一种重要调节机制,SUMO化修饰是近些年来发现的一种较新的翻译后修饰。SUMO蛋白利用E1(激活酶)、E2(结合酶)、E3(连接酶)对底物蛋白进行修饰。SUMO化修饰可以调节植物对高温、低温、干旱、盐等非生物胁迫的响应,也可以调节植物的生长发育、信号转导及营养代谢等。SIZ1是一种SUMO E3连接酶,主要作用是介导SUMO蛋白和底物蛋白的特异性结合,大多数的SUMO化都需要SUMO E3连接酶的介导。因此很多学者都通过对SIZ1的研究来探索植物体内SUMO化的功能。SIZ1可以调节植物对高温、低温、干旱、过量铜离子等非生物胁迫的响应。番茄是一种起源于热带的重要蔬菜作物,但是其高温抗性并不强,而且高温常常伴随着干旱,对番茄造成严重伤害,导致产量降低或者死亡。SIZ1可以通过介导SUMO化调节植物对高温和干旱的响应,在番茄中尚无对SIZ1的研究。因此,探讨SlSIZ1在调节番茄响应高温和干旱胁迫中的作用具有重要的理论和现实意义。我们从番茄中克隆得到SlSIZ1基因。以拟南芥、烟草和番茄为材料,研究SlSIZ1是否具有SUMO E3连接酶的特性,探讨其在调节植物干旱和高温抗性中的功能,主要结果如下:(1)对番茄进行低温(4°C)、高温(42°C)、干旱(聚乙二醇,PEG)和氧化胁迫(MV,甲基紫精)处理,检测SUMO化情况。发现经过这几种处理后番茄体内的SUMO化程度都升高,在低温、高温和干旱胁迫处理下SUMO化程度增加较为明显,而在氧化胁迫处理下,番茄体内的SUMO化水平变化不明显。(2)从番茄叶片中克隆得到SlSIZ1基因(GenBank注册号:KP323389),该基因开放阅读框长2658bp,编码886个氨基酸,预测蛋白分子量约为97.35kDa,等电点预测为4.92,生物信息学分析发现其位于番茄11号染色体上。(3)qRT-PCR分析发现,SlSIZ1基因在番茄的根、茎、叶、花中均有表达,在叶片中表达量最高。同时该基因受高温、低温、干旱、盐等胁迫的诱导表达,但变化不明显。说明SlSIZ1主要是通过介导SUMO化修饰,而不仅仅是通过其表达量的变化来调节植物对逆境的响应。亚细胞定位分析显示SlSIZ1定位于细胞核中。(4)对SlSIZ1进行序列分析发现其具有SIZ1蛋白的五个保守结构域,并且将SlSIZ1转化拟南芥siz1-2突变体,可以部分恢复突变体植株矮小、叶片狭窄、对ABA敏感以及SUMO化积累降低等表型,可以调节和介导植物体内的SUMO化,说明SlSIZ1具有SUMO E3连接酶的活性。(5)干旱胁迫下,过表达SlSIZ1可以降低烟草中ROS的积累,增加渗透调节物质(游离脯氨酸)的含量,减少生物膜损伤(MDA)、叶片坏死和失绿,上调逆境相关基因表达,增加体内SUMO化积累,维持较高的种子萌发率和生长情况,提高转基因烟草对干旱胁迫的抗性。(6)高温胁迫下,过表达SlSIZ1可以减少番茄体内ROS的积累,增加抗氧化酶活性,减少生物膜损伤(MDA)和细胞死亡,增加体内SUMO化积累,过表达番茄中具有较高的叶绿素含量和小苗鲜重。同时SlSIZ1可以与SlHsfA1互作,介导SlHsfA1发生SUMO化修饰,促使SlHsfA1在高温胁迫下具有更高的转录活性,上调下游高温相关基因表达(SlHsfA2、SlHsp70、SlHsp70-3和SlHsp90)。高温胁迫时,过表达SlSIZ1番茄中Hsp70基因上调表达,经过放线菌酮处理后Hsp70蛋白降解程度较低,因此过表达番茄植株中含有更多的Hsp70,增加其高温抗性。由于发现SlSIZ1和SlHsp70间可能存在较弱的蛋白互作,我们推测SlSIZ1介导的SUMO化可以修饰SlHsp70,从而维持其稳定。因此,过表达SlSIZ1可以提高番茄的高温抗性。
【学位授予单位】:山东农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q943.2;S641.2

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