玉米LEA蛋白基因ZmDHN13，ZmLEA3和ZmLEA5C的分离与功能分析

【摘要】干旱、高盐和病害等胁迫可以改变植物体内的基因表达和酶的活性,进而导致植物的生长发育受阻,产量降低。植物在受到逆境胁迫后,会产生一系列具有保护功能的蛋白质,胚胎发育晚期丰富蛋白（LEAproteins,Lateembryogenesisabundantproteins）是其中重要的一种。LEA蛋白最早发现于1981年,其在种子胚胎发育晚期的脱水过程中大量富集,可以提高种子对脱水过程的抗性。研究发现,LEA蛋白有较高亲水性,可以降低脱水条件下植物受到的伤害。根据LEA蛋白保守结构域的差异,可以将LEA蛋白分为7个不同的家族。本研究从玉米叶片中分离得到并鉴定了分属于3个不同LEA蛋白家族的基因ZmDHN13（二族,脱水素）、ZmLEA3（3A族）和ZmLEA5C（5C族）,并对这3个基因的序列特征、逆境条件下的转录模式和生理生化功能进行了分析。主要结果如下：1.分离得到3个LEA基因：ZmDHN13（NP001150115.1）属于二族LEA基因,也称之为脱水素。ZmDHN13的开放阅读框架为324bp,编码107个氨基酸,序列分析发现其属于KS型的脱水素。ZmLEA3（NM001153473）属于三族LEA基因。ZmLEA3的开放阅读框架为546bp,编码182个氨基酸。序列分析发现,ZmLEA3属于3A族LEA蛋白。ZmLEA5C（NM001155750.1）属于五族LEA基因,其开放阅读框架为642bp,编码207个氨基酸。在NCBI进行序列分析发现,其含有”LEA2”结构域,属于5C族LEA蛋白（D-95家族）。2.ZmDHN13和ZmLEA5C为组成型表达,并且其转录受到高渗、低温和氧化等逆境胁迫和ABA等信号分子的调节。ZmLEA3为诱导型表达,其表达受到各种逆境胁迫和信号分子的调节。组织特异性表达分析表明,ZmDHN13,ZmLEA5C和ZmLEA5C在种子中的表达量要明显高于其在根系、茎和叶片中的表达量。3.ZmDHN13主要定位于细胞核。进一步实验发现,S结构域和NLS结构域对ZmDHN13的核定位具有重要作用。ZmLEA3可以同时定位于细胞核和细胞质中；ZmLEA5C可能为膜定位蛋白。4.ZmDHN13和ZmLEA3可以结合金属离子。该反应可以降低逆境条件下植物体内游离的金属离子的含量,从而降低由游离金属离子通过Haber-Weiss反应产生的氧自由基。5.ZmDHN13,ZmLEA3和ZmLEA5C都能够在逆境条件下保护乳酸脱氢酶（LDH）的活性。6.ZmDHN13和ZmLEA5C能够被酪氨酸蛋白激酶Ⅱ（CKII）磷酸化。ZmDHN13的磷酸化可以影响蛋白的定位和生理生化功能。S结构域和NLS结构域对ZmDHN13的磷酸化具有重要作用。ZmLEA5C磷酸化的机制和功能尚不明确。7.ZmDHN13具有非特异性的核酸酶活性,并且这种活性依赖于金属离子。突变蛋白ZmDHN13AS和ZmDHN13ANLS的核酸酶活性受到部分抑制,而ZmDHN13AK的核酸酶活性几乎完全丧失。由此推测,K结构域可能为反应的切割中心,而NLS结构域可能为非特异的DNA结合区域,S结构域的作用尚不明确。8.过表达ZmDHN13可以提高转基因烟草对重金属胁迫和氧化胁迫的抗性。在胁迫抗性过程中,ZmDHN13的三个保守结构域（K、S和NLS）具有协同作用。过表达ZmLEAS可以提高转基因烟草和转基因酵母对渗透胁迫和氧化胁迫的抗性。过表达ZmLEA5C可以提高转基因烟草和转基因酵母对渗透胁迫和低温胁迫的抗性。9.烟草响应丁香加单胞杆菌PstDC3000（Pseudomonassyringaepv.TomatoDC3000）,主要依赖于SA信号途径。ZmLEA3和ZmLEA5C可能参与生物胁迫响应。
【作者】刘洋；
【导师】李德全；
【作者基本信息】山东农业大学，植物学，2014，博士
【关键词】玉米；LEA基因；功能分析；磷酸化；逆境胁迫；

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