博士论文——生长素调控气孔发育的功能和作用分子机理研究

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1、博士学位论文博士学位论文生长素调控气孔发育的功能和作用分子机理研究博士生：指导教师：专业：植物学所在院系：农业与生物学院上海交通大学年月143博士学位论文生长素调控气孔发育的功能和作用分子机理研究摘要由于植物不能移动，它需要根据不断变化的环境调整生理活动，以完成必要的生长发育过程。气孔存在于植物表皮，是二氧化碳和水分进出植物体的主要通道，是植物体与环境交流的桥梁，参与维持环境中二氧化碳与水分的平衡。因此，气孔的发育情况与植物体的生长发育息息相关，特别是光合作用。经过多年的研究，许多关键的调控气孔发育的信号因子渐渐被

2、发现，包括胞外信号肽EPF家族，细胞膜蛋白与激酶TMM和ER家族，胞质激酶MAPK/MKK/MAKKK家族及细胞核内的bHLH和MYB型转录因子等。其中，EPF家族成员STOMAGEN是迄今为止被发现的唯一参与正调控气孔发育却不表达于表皮细胞的因子，即STOMAGEN基因表达于叶肉细胞，其编码产物stomagen肽被分泌至表皮层发挥正调控气孔发育的功能。植物体内及体外环境的一些因素已被发现参与调控气孔发育过程，包括二氧化碳、光及植物激素中的油菜素内酯（BR）。生长素（Auxin）是最早被发现的植物激素，它主要通过结

3、合核受体TIR1/AFB家族及生长素调节子AUX/IAA家族形成的共受体，促进生长素响应因子ARF家族对生长素响应基因的转录调节而参与调控植物生长发育的方方面面。但目前对于生长素是否参与气孔发育的调控仍不得而知。本研究首次发现生长素参与负调控气孔发育，并揭示了这一过程是由核受体介导的生长素信号转导途径介导，最终通过生长素响应因子ARF5/MP（MONOPTEROS）直接负调控气孔发育的上游正调控因子编码基因STOMAGEN的表达，从而负调控气孔发育。通过气孔表型分析，我们发现过量表达iaaL（编码产物使内源游离活性

4、生长素含量降低）的转基因植株，以及生长素合成途径关键酶的突变体taa1tar1tar2、生长素核受体突变体tir1afb1afb2afb3、生长素信号抑制因子编码基因IAA12的获得性突变体bdl、生长素信号响应因子ARF5突变体arf5的气孔密度显著增多，呈现气孔簇的表型。ARF5蛋白的组织定位分析显示143博士学位论文，该蛋白在叶肉细胞表达，而在表皮细胞无表达。鉴于STOMAGEN在叶肉细胞表达，其产物运输至表皮细胞促进气孔发育，因此本研究分析了ARF5与STOMAGEN表达的关系。结果表明：在taa1tar1

5、tar2、tir1afb1afb2afb3和arf5突变体中，STOMAGEN表达显著上调。基因序列分析发现，STOMAGEN启动子-500bp至-1bp范围内含有6个典型的生长素应答元件AuxRE序列。通过EMSA、ChIP-qPCR等分析，我们发现ARF5直接与这些AuxRE结合。遗传分析表明，STOMAGEN位于ARF5的遗传学上位参与正调控气孔作用。因此，本研究揭示了生长素参与调控植物生长发育的新功能，即气孔发育；及其相关的分子机理，即生长素与其共受体TIR1/AFBs—AUX/IAAs结合，促进AUX/I

6、AAs的降解而解除AUX/IAAs对ARF5的转录抑制作用，导致STOMAGEN表达的下调，从而抑制气孔发育。这项研究不仅拓展了对生长素的生理功能的认识，而且揭示了生长素与多肽激素信号交互作用调控细胞分裂与分化的机理，对于其他植物激素与多肽激素信号间的互作机制研究具有借鉴意义。关键词：拟南芥，气孔发育，生长素，ARF5，STOMAGEN143博士学位论文TheMolecularMechanismandFunctionofAuxinRegulatingStomatalDevelopmentAbstractPlants

7、,assessileorganisms,mustcoordinatevariousphysiologicalprocessestoadapttoever-changingsurroundingenvironments.Stomata,theepidermalporesfacilitatinggasandwaterexchange,playimportantrolesinoptimizingphotosyntheticefficiencyandadaptability,aswellasglobalcarbonandw

8、atercirculation.Manyfactorsareinvolvedinregulatingstomataldevelopment,includingEPFfamilypeptides,TMM/ERfamilymembraneprotein/kinases,MAPKcascadekinases,andbHLH/MYBtranscriptionalfa