油菜素甾醇信号转录因子StBZR1基因的克隆及在马铃薯块茎形成中的初步功能分析(2)
马铃薯块茎的形成过程是由两个相对独立的阶段组成的：匍匐茎形成阶段和匍匐茎顶端膨大阶段。这两个阶段的发育受到不同的因素的控制，包括植物激素、光照、温度、蔗糖等。现有的研究表明，较短的日照、较低的温度以及离体培养条件下培养基含有较高的蔗糖浓度等条件都有利于马铃薯块茎的形成[1]。
油菜素甾醇(Brassinosteroids，BRs)是一种重要的新型植物激素，参与调控一系列植物发育和生理应答, 例如植物形态建成、微管分化、雄性不育、开花、衰老、光形态建成和应答生物及非生物胁迫[2]。目前，通过模式植物的研究，对BR信号转导途径的解析已经非常完整，其主要组分包括BRI1、BAK1、BIN2、BZR1、BES1等。在没有BR的情况下，BRI1的C末端进行自我抑制，另一方面BRI1和BRI1的抑制因子BKI1结合，完全抑制BRI1的活性，磷酸化的GSK类激酶BIN2具有活性，将下游转录因子BES1/BZR1磷酸化，磷酸化后的BES1/BZR1或被26S蛋白酶体所降解，或被14-3-3蛋白滞留在细胞质中，无法激活下游的BR响应基因；当BR来的时候，BR与受体BRI1结合，自抑制解除，与BKI1解离，使其激活，和共受体BAK1形成异源二聚体，增强了BRI1的活性，自我激活的BRI1磷酸化BSKs，随后激活BSU1，活化的BSU1能使磷酸化的BIN2转变为非磷酸化的BIN2，然后被26S蛋白酶体所降解。此时，具有活性的非磷酸化BES1/BZR1从细胞质进入细胞核内，结合到BR响应基因的启动子区域，与转录因子MYB30和BIM1一起激活下游BR响应基因的表达，从而促进植物细胞的伸长和分裂等生长发育过程[3-4]。
BZR1是一种核蛋白，它的亚细胞分布和BIN2有关，定位和磷酸化状态相关。当共表达BIN2的时候，BZR1定位在细胞质里；当施加BRs和共表达BRI1时，BZR1定位在细胞核内。BZR1/BES1的功能发挥受到BIN2的调控[5-6]，BIN2使未磷酸化的BZR1/BES1向磷酸化状态转变，而磷酸化状态的BZR1/BES1能够被26S蛋白酶体降解，无法促进下游的靶基因。而当BRs信号存在时，可以诱导PP2A对BZR1和BES1的去磷酸化，使BZR1和BES1能够在细胞核内积累[6-9]，结合到下游的靶基因启动子，促进下游基因的表达。非磷酸化的BZR1和BES1在细胞核内累积，调控核内基因的表达，以促进植物的生长发育[10-11]。
现有的研究发现，通过同源比对，马铃薯内确实存在油菜素甾醇合成途径的同源蛋白DWARF4 （DMG400014902），CPD（DMG400023819）, 信号通路的同源蛋白BRI1（DMG400019698），BAK1（DMG400012594）以及受油菜素甾醇上调的标记基因EXP8（DMG400016650）和SAUR2（DMG400016561），并且外源喷施油菜素甾醇后，发现标记基因SAUR2的表达确实受到上调[12]，这些结果表明马铃薯植株体内可能存在油菜素甾醇以及其合成和信号通路。
而油菜素甾醇对马铃薯块茎形成的调控作用也略有涉及，如1999年菜西市农业技术推广站和2000年浙江宁波市植保植检站均报道，在马铃薯播种50天和70天，喷施10000至40000倍的芸苔素（BRs的别名）两次，能显著提高总产量，并增加大中薯的比例；施加不同浓度的油菜素类酯，都能促进马铃薯微型薯的形成[13]；低氧胁迫下外源施加EBR能够促进匍匐茎的数量[14]；转化胡杨的BR合成基因PeCPD于马铃薯中，能够显著增加马铃薯的单株产量[15]。这些结果都暗示着油菜素甾醇对马铃薯块茎形成具有促进作用。
因此，本课题以马铃薯Désirée为材料，以StBZR1为研究对象，通过同源比对获得StBZR1的序列，对其进行克隆，并通过分子生物学、基因工程等方法来分析该基因在马铃薯块茎形成中的功能，从而为研究油菜素甾醇调控马铃薯块茎形成打下基础，这将有助于加深对马铃薯块茎形成的调控的理解，为更深入研究马铃薯块茎形成提供良好的理论依据。