環(huán)境條件對(duì)sua41 突變體表型的影響

黃國(guó)文

(湖南科技學(xué)院 生命科學(xué)和化學(xué)工程學(xué)院，湖南 永州 425199)

環(huán)境條件對(duì)sua41突變體表型的影響

黃國(guó)文

(湖南科技學(xué)院 生命科學(xué)和化學(xué)工程學(xué)院，湖南 永州 425199)

突變體表型分析是基因功能研究的重要組成部分，通過(guò)對(duì)突變體的分析可以預(yù)見(jiàn)突變序列的未知功能。本文研究了sua41突變體的表型特征和可塑性變化。結(jié)果表明，與Col-0相對(duì)照，sua41的蓮座葉和莖生葉片較小，植株的莖細(xì)小，花序軸頂端的花蕾較少，在果枝上有聚合果現(xiàn)象；sua41突變體的早花表型與光照強(qiáng)度和光質(zhì)無(wú)關(guān)；不同光照條件下sua41根長(zhǎng)與野生型相比有差異；不同光質(zhì)條件下sua41下胚軸長(zhǎng)度比野生型的稍長(zhǎng)；低溫條件下sua41突變體根長(zhǎng)比野生型的短，下胚軸長(zhǎng)度比野生型的稍微長(zhǎng)些。說(shuō)明，SUA41基因除了調(diào)節(jié)開(kāi)花時(shí)間之外，還調(diào)節(jié)莖、葉、上胚軸和根的生長(zhǎng)以及花芽的形成。SUA41基因是一個(gè)多功能的基因。

sua41突變體；表型；光照；溫度

表型(phenotype)是生物體的遺傳性狀，是基因與環(huán)境相互作用的結(jié)果，對(duì)植物在不同環(huán)境中生存和繁殖是很重要的[1,2]。植物的表型具有可塑性，生物受到環(huán)境影響后同一基因型能夠做出相應(yīng)改變而產(chǎn)生不同表型，來(lái)適應(yīng)其生存的時(shí)空異質(zhì)環(huán)境

[3,4]。植物在光照、溫度、水分、養(yǎng)料等變化的環(huán)境中，能夠發(fā)生遺傳變異，接受自然選擇，表現(xiàn)出可塑性響應(yīng)。可塑性使植物的形態(tài)、生理或發(fā)育性狀發(fā)生改變，使其能夠適應(yīng)生存環(huán)境，有利于植物在不同環(huán)境中生存和繁殖。所以，研究植物的表型變化能夠反映出基因型的變化，表型是基因型變化的指示者。在以基因敲除或RNA干涉[5,6]為目的產(chǎn)生突變體中，表型可以作為一種工具解釋遺傳成分在分子水平的作用過(guò)程并且理解其生物學(xué)過(guò)程。通過(guò)對(duì)突變體的分析可以預(yù)見(jiàn)序列的未知功能。擬南芥sua41突變體是一個(gè)T—DNA標(biāo)簽插入來(lái)敲除基因的突變體。目前研究表明，SUA41基因參與調(diào)節(jié)擬南芥開(kāi)花時(shí)間，并且在開(kāi)花自主途徑和溫敏途徑中起調(diào)節(jié)作用[7]，參與生長(zhǎng)素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)節(jié)[8]，并能夠調(diào)節(jié)基礎(chǔ)免疫和系統(tǒng)獲得性抗性[9]。SUA41基因啟動(dòng)子與GUS融合表達(dá)載體在擬南芥中的表達(dá)特性和qPCR分析野生型Col-0中SUA41基因的表達(dá)水平，表明SUA41基因在植株的根、下胚軸、子葉、芽、莖、葉、花和角果中都有表達(dá)，且表達(dá)量無(wú)顯著區(qū)別[7]。SUA41基因的表達(dá)模式反映出這種基因可以參與了植株各個(gè)器官的生命活動(dòng)或者生長(zhǎng)發(fā)育。本文研究sua41突變體的表型特征，用以揭示SUA41基因的調(diào)節(jié)功能。

1 材料和方法

1.1 植物材料

實(shí)驗(yàn)中所使用的植物材料為擬南芥 (Arabidopsis thaliana)野生型Columbia (Col-0) 生態(tài)型。sua41突變體（SALK-109959）雜合體為T-DNA插入突變體，其種子來(lái)自美國(guó)Ohio州立大學(xué)ABRC（ArabidopsisBiological Resource Center）。

1.2 植物開(kāi)花時(shí)間的統(tǒng)計(jì)方法

把Col-0和sua41種子放在濕潤(rùn)的濾紙上或者用酒精消毒的種子放在MS培養(yǎng)基上。在4℃處理3天，然后種在特定光照：長(zhǎng)日照（16h光照/8h黑暗）不同光照強(qiáng)度、藍(lán)光（2.0μmol/m2.s）、紅光（66μmol/m2.s）等條件下，讓植物生長(zhǎng)，當(dāng)材料開(kāi)花時(shí)，記錄植物產(chǎn)生第一朵花時(shí)植株的總?cè)~片數(shù)(蓮座葉和莖生葉)作為植物的開(kāi)花時(shí)間指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)的每種植物數(shù)目不低于25株。進(jìn)行了三次生物學(xué)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Excel表中進(jìn)行分析。

1.3 測(cè)定sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度和根長(zhǎng)度的方法

把sua41突變體和Col-0野生型種子播在含MS培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中，經(jīng)過(guò)4℃低溫處理3天以及光誘導(dǎo)處理4小時(shí)以后，放在不同的光照：長(zhǎng)日（16h光照/8h黑暗）、短日（8h光照/16h黑暗）、連續(xù)紅光（66μmol/m2.s）、連續(xù)藍(lán)光（2.0μmol/m2.s），黑暗等條件處理7天后，測(cè)定其下胚軸的長(zhǎng)度；對(duì)在各種條件下生長(zhǎng)14天幼苗，測(cè)定其根的長(zhǎng)度。進(jìn)行三次生物學(xué)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在Excel表中進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 sua41突變體的表型特征觀察

與野生型比較，sua41突變體除了具有早花表型以外，還有其它的一些特征（圖1）。植株的蓮座葉和莖生葉片較小，植株的莖細(xì)小。主枝花序軸上角果的數(shù)目較少且單位長(zhǎng)度上角果的數(shù)量也較少，角果有聚合在同一節(jié)上的現(xiàn)象。花序軸頂端的花蕾較少。在各個(gè)發(fā)育階段植株都很弱小。在盛花期，蓮座葉開(kāi)始變黃，在果實(shí)成熟后期，蓮座葉枯死。但是在株型上與野生型Col-0沒(méi)有明顯區(qū)別，主莖上也有分枝。這些結(jié)果表明，SUA41基因突變導(dǎo)致植株的莖和葉片的大小以及花朵和角果的數(shù)目改變；SUA41基因影響植株莖葉的生長(zhǎng)和花的發(fā)育，暗示SUA41基因可能影響莖節(jié)間細(xì)胞分裂和花分生組織特征基因的作用。

圖1. sua41突變體的表型特征

2.2 不同光照條件對(duì)sua41根和下胚軸生長(zhǎng)以及開(kāi)花時(shí)間的影響

為了了解不同光照條件對(duì)sua41突變體的下胚軸和根生長(zhǎng)的影響，測(cè)定了sua41突變體幼苗根的長(zhǎng)度。結(jié)果(圖2A)所示，在不同光照條件下，突變體和野生型都是以連續(xù)紅光和連續(xù)遠(yuǎn)紅光的根最長(zhǎng),分別為2.6，2.9和2.8，2.6cm；而以連續(xù)白光照的根最短，分別為1.0和1.4cm；連續(xù)藍(lán)光下分別為1.9和1.9 cm；在長(zhǎng)日和短日條件下，分別為1.4，1.9和1.8，2.0 cm。說(shuō)明，在同一光照條件下，與野生型比較，sua41突變體的根長(zhǎng)有一定變化，但是變化不大；與白光相比在連續(xù)藍(lán)光、連續(xù)紅光和遠(yuǎn)紅光條件下，sua41突變體根長(zhǎng)有較大變化。所以SUA41突變對(duì)根的生長(zhǎng)有一定影響，并且與光照強(qiáng)度和光質(zhì)有一定關(guān)系，但是這種影響是比較弱的。(A) 不同光照條件下的sua41的根長(zhǎng)度 (cm)。 (B) 不同光照條件下的sua41的下胚軸長(zhǎng)度（cm）。 A, 黑暗. B, 長(zhǎng)日照. C,短日照. D, 連續(xù)白光照. E, 連續(xù)藍(lán)光照 F, 連續(xù)紅光照 G, 連續(xù)遠(yuǎn)紅光照. (C) 不同光照度下sua41的開(kāi)花時(shí)間(天數(shù))。(D) 不同光照度下sua41的開(kāi)花時(shí)間(葉片數(shù))。1 (184.62μmolm-2s-1), 2 (133.04μmolm-2s-1), 3 (109.40μmolm-2s-1) 和 4 (98.94μmolm-2s-1) 。 數(shù)值顯示平均值± SE。

圖2. 不同光照條件下sua41突變體的根長(zhǎng)度(cm)、下胚軸長(zhǎng)度（cm）和開(kāi)花時(shí)間

在多種光照條件下，測(cè)定了Col-0和sua41的下胚軸的長(zhǎng)度(圖2B)。表明，在黑暗條件下，sua41的下胚軸長(zhǎng)度比Col-0的稍微短1cm左右，但是在紅光、藍(lán)光、長(zhǎng)日照和短日照條件下，sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度比野生型的稍長(zhǎng)1cm左右，但變化程度不明顯。與黑暗比較，光照條件下Col-0和sua41的下胚軸較短。說(shuō)明，sua41突變體下胚軸對(duì)各種光照有反應(yīng)；SUA41基因能夠參與光照條件下抑制植株下胚軸的伸長(zhǎng)，但是與光照種類無(wú)關(guān)。

在長(zhǎng)日條件和四個(gè)光照強(qiáng)度處理下，sua41突變體開(kāi)花時(shí)所需要的天數(shù)不同(圖2C)。Col-0的天數(shù)依次為24.6，24.9，30.8和34天。sua41的天數(shù)依次為19.7，20.6，24.9和26.8天。同一光強(qiáng)下，sua41的開(kāi)花天數(shù)與Col-0的開(kāi)花天數(shù)的比值都為0.8，所以它們變化的值相同。四種光照強(qiáng)度下，野生型和sua41突變體的開(kāi)花葉片數(shù)如下（圖2D）所示。野生型的開(kāi)花葉片數(shù)分別為14.2片，14.2片，15.9片和15.6片，sua41突變體的開(kāi)花葉片數(shù)分別為8.6片，8.4片，8.7片和8.4片。表明，在不同光照強(qiáng)度下Col-0和sua41的開(kāi)花葉片數(shù)都相差不是很大。光照強(qiáng)度能夠影響擬南芥的生長(zhǎng)發(fā)育，較高光照強(qiáng)度能夠使擬南芥Col-0和sua41生長(zhǎng)發(fā)育較快，開(kāi)花較早，而較低光照強(qiáng)度能使擬南芥Col-0和sua41突變體生長(zhǎng)發(fā)育較慢，開(kāi)花較遲。SUA41基因影響開(kāi)花天數(shù)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，影響開(kāi)花時(shí)葉片數(shù)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。SUA41基因參與的開(kāi)花反應(yīng)不受光照強(qiáng)度的影響。

2.3 光質(zhì)對(duì)sua41下胚軸生長(zhǎng)和開(kāi)花時(shí)間的影響

為了更好地理解光質(zhì)對(duì)sua41下胚軸生長(zhǎng)的影響，有必要對(duì)不同強(qiáng)度的紅光和藍(lán)光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PHYB是一種紅光受體，主要調(diào)節(jié)植物對(duì)紅光的反應(yīng)，促進(jìn)幼苗的下胚軸縮短，其過(guò)表達(dá)使幼苗矮化，其突變導(dǎo)致幼苗的下胚軸伸長(zhǎng)[10]。在不同紅光強(qiáng)度下，測(cè)定了sua41突變體的下胚軸的長(zhǎng)度，結(jié)果如下（圖3A）。在不同紅光強(qiáng)度下，與Col-0相比，phyB的下胚軸有一定的變化，但是，隨著光強(qiáng)增強(qiáng)，sua41突變體的下胚軸有一定程度的增加。說(shuō)明，sua41突變體的下胚軸對(duì)紅光有一定反應(yīng)，SUA41基因能夠參與紅光調(diào)節(jié)植株下胚軸的生長(zhǎng)。

圖3. 不同光照條件下sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度(cm)和開(kāi)花時(shí)間

(A) 不同紅光強(qiáng)度下sua41的下胚軸長(zhǎng)度。低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度和高強(qiáng)度紅光分別是 31μmol/m2.s, 66μmol /m2.s, 88μmol/m2.s。 (B) 不同連續(xù)的光照條件下sua41的開(kāi)花時(shí)間。紅光強(qiáng)度是21μmol. m-2. s-1，白光強(qiáng)度是70 μmol. m-2. s-1。 (C)不同藍(lán)光條件下sua41的下胚軸長(zhǎng)度。低等強(qiáng)度、中等強(qiáng)度和高強(qiáng)度的藍(lán)光分別是0.5μmol/m2.s, 2.0μmol/m2.s 和4.15μmol/m2.s. (D) 不同連續(xù)光照條件下sua41的開(kāi)花時(shí)間。藍(lán)光強(qiáng)度是25 μmol. m-2. s-1，白光強(qiáng)度是70μmol. m-2. s-1. 資料顯示平均值(n =50) ±SD.

CRY1和CRY2是兩種藍(lán)光受體，主要調(diào)節(jié)植物向光性運(yùn)動(dòng)和其他藍(lán)光反應(yīng)(包括抑制下胚軸伸長(zhǎng)、刺激子葉張開(kāi)、調(diào)節(jié)開(kāi)花時(shí)間等)，其突變導(dǎo)致幼苗的下胚軸伸長(zhǎng)[11]。在不同藍(lán)光強(qiáng)度下，以cry1、cry2和Col-0為對(duì)照，測(cè)定了sua41突變體的下胚軸的長(zhǎng)度，結(jié)果如下（圖3C）。在不同藍(lán)光強(qiáng)度下的下胚軸以cry1的最長(zhǎng)，cry2的次之，說(shuō)明各種強(qiáng)度藍(lán)光在調(diào)節(jié)下胚軸生長(zhǎng)時(shí)有作用。在低光強(qiáng)下sua41突變體的下胚軸比Col-0的較長(zhǎng)，但在高光強(qiáng)下，Col-0和sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度幾乎一樣長(zhǎng)，說(shuō)明在中等和高藍(lán)光下sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度受藍(lán)光的影響較小，SUA41基因能夠參與低強(qiáng)度藍(lán)光調(diào)節(jié)植株下胚軸的伸長(zhǎng)。

光質(zhì)影響植物的開(kāi)花時(shí)間。藍(lán)光是促進(jìn)擬南芥開(kāi)花的環(huán)境因素之一。將擬南芥Col-0和sua41播種在含有MS的培養(yǎng)瓶中，放入藍(lán)光和白光培養(yǎng)箱(光照強(qiáng)度為 25μmolm-2s-1)中進(jìn)行光照培養(yǎng)。開(kāi)花時(shí)計(jì)算葉片數(shù)（圖3D）。在藍(lán)光培養(yǎng)條件下，Col-0和sua41的葉片數(shù)分別為6.6片和5.5片。比較白光條件下，Col-0和sua41的葉片數(shù)分別為14.5片和8.5片，藍(lán)光條件下Col-0和sua41開(kāi)花時(shí)的葉片數(shù)都減少了。在藍(lán)光和白光光照條件下，sua41突變體的葉片數(shù)與Col-0的葉片數(shù)的比值分別為0.8和0.6，雖然比值有變化，但是變化的幅度不大，說(shuō)明sua41突變體仍然能夠響應(yīng)藍(lán)光信號(hào)早開(kāi)花。即SUA41突變雖然影響開(kāi)花時(shí)間，但不影響植物對(duì)藍(lán)光信號(hào)的感受,SUA41基因不在藍(lán)光促進(jìn)開(kāi)花途徑中起作用。

紅光是抑制擬南芥開(kāi)花的因素。將擬南芥Col-0和sua41播種在土壤中，放入紅光和白光培養(yǎng)箱中進(jìn)行光照培養(yǎng)。開(kāi)花時(shí)計(jì)算葉片數(shù)（圖3C）。在紅光培養(yǎng)條件下，Col-0和sua41的葉片數(shù)分別為40.3片和19.6片。比較白光條件下，Col-0和sua41的葉片數(shù)分別為14.5片和8.5片，紅光條件下Col-0和sua41開(kāi)花時(shí)的葉片數(shù)都增加了。在紅光和白光光照條件下，sua41的葉片數(shù)與Col-0的葉片數(shù)的比值分別為0.5和0.6，比值雖然有變化，但是變化的幅度不大。說(shuō)明，紅光抑制了sua41突變體的開(kāi)花，同樣也抑制了Col-0的開(kāi)花，但是抑制的程度相似。說(shuō)明SUA41基因不參與紅光抑制植物開(kāi)花的過(guò)程。

2.4 低溫對(duì)sua41突變體下胚軸和根長(zhǎng)的影響

把Col-0和sua41播種在MS培養(yǎng)基上，在4℃黑暗處理3天，放在16℃和長(zhǎng)日條件下，讓其生長(zhǎng)12天，測(cè)定它們的下胚軸和根的長(zhǎng)度（圖4）。表明，在常溫條件下，

圖4. 在低溫條件下sua41突變體的下胚軸和根的長(zhǎng)度(cm)

(A) 在22℃ 和16℃ 條件下Col-0 和sua41幼苗的下胚軸長(zhǎng)度. (B) 在22℃ 和 16℃ 條件下Col-0 和sua41根長(zhǎng)度. 資料顯示平均值 (n =50) ±SD.

sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度0.36cm比Col-0的0.31cm多0.05cm；在16℃條件下，sua41突變體的下胚軸長(zhǎng)度0.10cm比Col-0的0.16cm少0.05cm，所以低溫條件抑制sua41突變體的下胚軸的伸長(zhǎng)。在常溫條件下，sua41突變體的根長(zhǎng)度0.95cm比Col-0的1.34cm少0.39cm；在16℃條件下，sua41突變體的根長(zhǎng)0.53cm比Col-0的0.88cm少0.35cm，所以低溫條件抑制sua41突變體根的伸長(zhǎng)。說(shuō)明SUA41突變影響植株下胚軸的生長(zhǎng)，并且與溫度有關(guān)。SUA41突變抑制植株根的生長(zhǎng)，但是與溫度無(wú)關(guān)。

3 討論

植物表型及其可塑性分析是理解植物適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境的一種研究方法[12]，也是闡明基因功能的重要手段。本文對(duì)sua41突變體的表型及可塑性分析表明，sua41突變體植株葉片小、莖細(xì)，花序軸頂端的花蕾較少，有角果聚合現(xiàn)象。sua41突變體的早花表型與白光照強(qiáng)度和光質(zhì)無(wú)關(guān)，說(shuō)明，SUA41基因獨(dú)立于光質(zhì)途徑來(lái)調(diào)節(jié)植株的開(kāi)花時(shí)間。sua41突變體的下胚軸比野生型的長(zhǎng)些，與光照、光照強(qiáng)度和溫度有關(guān)，說(shuō)明SUA41基因能夠調(diào)節(jié)下胚軸的生長(zhǎng)，但是作用較弱；特別是在低強(qiáng)度藍(lán)光下sua41突變體的下胚軸明顯地比野生型長(zhǎng)，說(shuō)明有一種與SUA41蛋白相互作用的感受低強(qiáng)度藍(lán)光的蛋白存在[13]。sua41突變體的根長(zhǎng)比野生型的短些，與光質(zhì)有關(guān)，但是變化不明顯，與光照強(qiáng)度和溫度無(wú)關(guān)，說(shuō)明其調(diào)節(jié)根的生長(zhǎng)作用較弱。sua41突變體的開(kāi)花時(shí)間與光質(zhì)無(wú)關(guān)，但是其根和下胚軸的伸長(zhǎng)與光質(zhì)有關(guān)，說(shuō)明SUA41基因調(diào)節(jié)各個(gè)器官的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制是不一樣的。因此，SUA41基因是一個(gè)多功能的基因，不僅影響植株葉片細(xì)胞分裂和花分生組織特征基因的活動(dòng)，而且影響植株下胚軸和根的細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)。SUA41基因調(diào)節(jié)各個(gè)器官的生長(zhǎng)的機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。

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Q7

A

1673-2219（2014）05-0092-05

2013－03－20

黃國(guó)文（1965－），湖南郴州人，博士，從事細(xì)胞工程技術(shù)教學(xué)和科研工作。

（責(zé)任編校：何俊華）