转BpGLK裂叶桦叶色及生长变异分析

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2023.03.004

摘要/Abstract

摘要：

通过研究转BpGLK（Bpev01.c0167.g0013.m0001）裂叶桦（Betula pendula ‘Dalecarlica’）生长期内的叶色变异规律，探讨BpGLK抑制表达使植株叶绿素含量降低是否对植株生长产生影响。以2年生的转BpGLK裂叶桦为试验材料，检测外源基因的稳定性及相对表达量，测定叶色参数、叶绿素相对含量及叶绿素含量，分析叶色相关参数的时序变化规律及生长特性。结果显示，外源基因稳定存在于2年生转基因株系的基因组中，且GLK表达量显著下调（P<0.05）；在整个生长期内，RE1~5株系的叶色亮度及叶片黄色程度均显著高于WT株系（P<0.05），叶绿素相对含量、叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均低于或显著低于WT株系（P<0.05），但叶绿素a与叶绿素b的比值高于或显著高于WT株系（P<0.05）。转基因株系的苗高生长没有受到显著影响，其中RE4和RE5株系的以上性状均优于其他株系，是后续园林造景推广应用的首选株系。

关键词: 裂叶桦, BpGLK, 叶绿素, 生长特性

Key words: Betula pendula ‘Dalecarlica’, BpGLK, chlorophyll, growth characteristics

中图分类号:

S792.15

曹俐, 杨蕴力, 李天芳, 姜静. 转BpGLK裂叶桦叶色及生长变异分析[J]. 植物研究, 2023, 43(3): 351-360.

Li CAO, Yunli YANG, Tianfang LI, Jing JIANG. Analysis on Leaf Color and Growth Variation of Transgenic BpGLK Betula pendula ‘Dalecarlica'[J]. Bulletin of Botanical Research, 2023, 43(3): 351-360.

图/表 12

表1

表2

图1

图2

表3

图3

表4

表5

表6

图4

表7

表8

参考文献 34

1	JENKINS M T.A second gene producing golden plant color in maize［J］.The American Naturalist，1926，60（670）：484-488.
2	ROSSINI L， CRIBB L， MARTIN D J，et al.The maize golden2 gene defines a novel class of transcriptional regulators in plants［J］.The Plant Cell，2001，13（5）：1231-1244.
3	NGUYEN C V， VREBALOV J T， GAPPER N E，et al.Tomato GOLDEN2-LIKE transcription factors reveal molecular gradients that function during fruit development and ripening［J］.The Plant Cell，2014，26（2）：585-601.
4	KOBAYASHI K， SASAKI D， NOGUCHI K，et al.Photosynthesis of root chloroplasts developed in Arabidopsis lines overexpressing GOLDEN2-LIKE transcription factors［J］.Plant & Cell Physiology，2013，54（8）：1365-1377.
5	CHEN M， JI M L， WEN B B，et al.Golden 2-like transcription factors of plants［J］.Frontiers in Plant Science，2016，7：1509.
6	HAN X Y， LI P X， ZOU L J，et al.Golden2-like transcription factors coordinate the tolerance to Cucumber mosaic virus in Arabidopsis ［J］.Biochemical and Biophysical Research Communications，2016，477（4）：626-632.
7	MURMU J， WILTON M， ALLARD G，et al. Arabidopsis GOLDEN2-LIKE （GLK） transcription factors activate jasmonic acid （JA）-dependent disease susceptibility to the biotrophic pathogen Hyaloperonospora arabidopsidis，as well as JA-independent plant immunity against the necrotrophic pathogen Botrytis cinerea［J］.Molecular Plant Pathology，2014，15（2）：174-184.
8	POWELL A L T， NGUYEN C V， HILL T，et al.Uniform ripening encodes a Golden 2-like transcription factor regulating tomato fruit chloroplast development［J］.Science，2012，336（6089）：1711-1715.
9	赵峥畑，张晓璐，程堂仁，等.连翘GLK基因家族鉴定及响应光照表达分析［J］.河南农业大学学报，2022，56（5）：759-769.
	ZHAO Z T， ZHANG X L， CHENG T R，et al.Identification and expression analysis in response to light of GLK gene family in Forsythia ［J］.Journal of Henan Agricultural University，2022，56（5）：759-769.
10	LI Y D， GU C R， GANG H X，et al.Generation of a golden leaf triploid poplar by repressing the expression of GLK genes［J］.Forestry Research，2021，1：3.
11	GANG H X， LIU G F， CHEN S，et al.Physiological and transcriptome analysis of a yellow-green leaf mutant in birch （Betula platyphylla × B.pendula）［J］.Forests，2019，10（2）：120.
12	梅淑芳.彩叶马棘的培育与研究［D］.杭州：浙江大学，2008.
	MEI S F.Development and studies of colorful leaves of plants Indigofera Pseudotinctoria Mats［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2008.
13	邵京.彩叶植物在城市园林景观中的应用：以南京市为例［J］.安徽农业科学，2020，48（15）：119-121.
	SHAO J.The application of color-leafed plants in urban landscape—taking Nanjing for example［J］.Journal of Anhui Agricultural Sciences，2020，48（15）：119-121.
14	潘晶晶，董胜君.金叶复叶槭叶色时序性变化研究［J］.经济林研究，2021，39（3）：215-226.
	PAN J J， DONG S J.The time-order change of leaf color of Acer negundo ‘Aurea’［J］.Non-wood Forest Research，2021，39（3）：215-226.
15	叶威，李强，陈颖，等.雌、雄株和金叶银杏光合生理及黄酮成分年动态变化研究［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2022，46（4）：77-86.
	YE W， LI Q， CHEN Y，et al.Annual dynamic changes in photosynthetic physiology and flavonoid components in female，male and golden-leaf Ginkgo biloba trees［J］.Journal of Nanjing Forestry University （Natural Science Edition），2022，46（4）：77-86.
16	刘易超，左力辉，冯树香，等.中华金叶榆不同位置叶片呈色分析［J/OL］.分子植物育种（2022-05-30）［2022-09-29］..
	LIU Y C， ZUO L H， FENG S X，et al.Research on the color generated of leaf at different positions of Ulmus pumila ‘ZhonghuaJinye’［J/OL］.Molecular Plant Breeding，（2022-05-30）［2022-09-29］..
17	任凤伟.辽宁省裂叶垂枝桦适宜栽培区研究初报［J］.防护林科技，2016（3）：25-26，29.
	REN F W.Suitable cultivation area for Betula pendula in Liaoning Province［J］.Protection Forest Science and Technology，2016（3）：25-26，29.
18	杨蕴力.裂叶桦转BpGLK基因的研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2021.
	YANG Y L.Research on the genetic transformation of BpGLK in Betula pendula ‘Dalecarlica’［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2021.
19	程贵文，龚洪恩，颜送宝，等.油茶叶绿素提取方法的比较研究［J］.湖北林业科技，2017，46（6）：11-13，58.
	CHENG G W， GONG H E， YAN S B，et al.Comparison of chlorophyll extraction methods in Camellia oleifera ［J］.Hubei Forestry Science and Technology，2017，46（6）：11-13，58.
20	任烁淇，刘冰洋，李雪莹，等.白桦黄叶突变株叶色变化规律及苗高生长特性分析［J］.植物研究，2018，38（6）：852-859.
	REN S Q， LIU B Y， LI X Y，et al.Analysis of leaf color variation and height growth characteristics of yellow-green leaf mutant in Birch［J］.Bulletin of Botanical Research，2018，38（6）：852-859.
21	BIAN X Y， QU C， ZHANG M M，et al.Transcriptome analysis provides new insights into leaf shape variation in Birch［J］.Trees，2019，33（5）：1265-1281.
22	FITTER D W， MARTIN D J， COPLEY M J，et al.GLK gene pairs regulate chloroplast development in diverse plant species［J］.The Plant Journal，2002，31（6）：713-727.
23	KOBAYASHI K， BABA S， OBAYASHI T，et al.Regulation of root greening by light and auxin/cytokinin signaling in Arabidopsis ［J］.The Plant Cell，2012，24（3）：1081-1095.
24	李霞.过表达玉米GLK基因提高水稻光合作用和光抑制耐性的生理机制［D］.北京：中国农业科学院，2020.
	LI X.Physiological mechanisms of overexpression of maize GLK genes in improving photosynthesis and reducing photoinhibition in rice［D］.Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences，2020.
25	周蒋毅.水稻IPS1基因调控光合作用的分子机制研究［D］.金华：浙江师范大学，2020.
	ZHOU J Y.Molecular mechanism of IPS1 regulating photosynthesis［D］.Jinhua：Zhejiang Normal University，2020.
26	CHEN M， MISHRA S， HECKATHORN S A，et al.Proteomic analysis of Arabidopsis thaliana leaves in response to acute boron deficiency and toxicity reveals effects on photosynthesis，carbohydrate metabolism，and protein synthesis［J］.Journal of Plant Physiology，2014，171（3/4）：235-242.
27	SACK L， GRUBB P J， MARAÑÓN T.The functional morphology of juvenile plants tolerant of strong summer drought in shaded forest understories in southern spain［J］.Plant Ecology，2003，168（1）：139-163.
28	顾骏飞，周振翔，李志康，等.水稻低叶绿素含量突变对光合作用及产量的影响［J］.作物学报，2016，42（4）：551-560.
	GU J F， ZHOU Z X， LI Z K，et al.Effects of the mutant with low chlorophyll content on photosynthesis and yield in rice［J］.Acta Agronomica Sinica，2016，42（4）：551-560.
29	李瑞，周玮，陆巍.低叶绿素b水稻叶片自然衰老过程中光合作用与叶绿素荧光参数的变化［J］.南京农业大学学报，2009，32（2）：10-14.
	LI R， ZHOU W， LU W.Changes in photosynthesis and chlorophyll fluorescence parameters during rice leaf senescence in low chlorophyll b mutant［J］.Journal of Nanjing Agricultural University，2009，32（2）：10-14.
30	李君霞，秦娜，朱灿灿，等.谷子黄叶色突变体光合特性研究［J］.核农学报，2021，35（9）：1964-1970.
	LI J X， QIN N， ZHU C C，et al.Study on photosynthetic characteristics of Foxtail Millet mutant with yellow leaf colour［J］.Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2021，35（9）：1964-1970.
31	ORT D R， MERCHANT S S， ALRIC J，et al.Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2015，112（28）：8529-8536.
32	ORT D R， ZHU X G， MELIS A.Optimizing antenna size to maximize photosynthetic efficiency［J］.Plant Physiology，2011，155（1）：79-85.
33	GANG H X， LI R H， ZHAO Y M，et al.Loss of GLK1 transcription factor function reveals new insights in chlorophyll biosynthesis and chloroplast development［J］.Journal of Experimental Botany，2019，70（12）：3125-3138.
34	刘佳琦，宋逸欣，成星川，等.转BpGLK1基因白桦叶色变异规律及生长特性分析［J］.江西农业学报，2021，33（8）：17-23.
	LIU J Q， SONG Y X， CHENG X C，et al.Analysis of leaf color variation and growth characteristics of transgenic BpGLK1 birch［J］.Acta Agriculturae Jiangxi，2021，33（8）：17-23.

引物 Primer	序列（5′→3′） Sequence（5′→3′）	扩增片段长度 Amplified fragment length/bp
pFGC5941_CIS_F	CATGCCATGGGCACAGAAGGTTTGTGCAAG	414
pFGC5941_CIS_R	TTGGCGCGCCCCATACATCTGCCTTCTCTGG	414
pFGC5941_Anti_F	GCTCTAGAGCACAGAAGGTTTGTGCAAG	429
pFGC5941_Anti_R	CGCGGATCCCCATACATCTGCCTTCTCTGG	429
Bar-F	TTAGATCTCGGTGACGGGCA	500
Bar-R	CGGTCTGCACCATCGTCAAC	500

引物 Primer	引物序列（5′→3′） Sequence（5′→3′）
Bp18S-F	ATCTTGGGTTGGGCAGATCG
Bp18S-R	CATTACTC CGATCCCGAAGG
q-glk-F	CACAACATAGCCAGCCACCTTC
q-glk-R	GTCGGTGCTACCCAAGGACTC

指标 Indexes	株系 Lines	5月15日 May 15th	6月15日 Jun. 15th	7月15日 Jul. 15th	9月15日 Sep. 15th
L值 L-value	WT	37.42±0.42c	40.41±0.50d	37.36±0.49c	36.68±0.66b
	RE1	43.35±0.64a	47.10±0.36a	47.15±0.47a	42.42±1.01a
	RE2	43.02±0.35a	44.19±0.37b	44.07±1.06ab	42.30±1.13a
	RE3	44.11±0.63a	44.43±0.60b	40.78±2.66b	43.35±1.20a
	RE4	42.23±0.69a	43.21±0.54bc	43.59±0.79b	41.02±0.96a
	RE5	42.00±0.54a	42.06±0.33c	41.64±0.99b	42.71±1.05a
	RE6	38.71±0.28bc	36.85±0.76f	36.90±0.71c	38.03±0.63b
	RE7	42.87±1.51a	39.26±0.41de	36.43±0.98c	37.60±0.83b
	RE8	41.35±2.57ab	38.19±0.59ef	36.54±0.80c	35.87±1.03b
b值 b-value	WT	19.27±0.64d	19.86±0.81e	19.63±0.64d	16.26±1.08cd
	RE1	29.38±1.23b	31.72±0.61a	35.40±0.69a	26.16±1.37ab
	RE2	29.07±0.78bc	27.96±0.38bc	33.50±1.04a	27.99±1.39a
	RE3	31.72±0.48a	29.72±0.78ab	35.41±0.40a	28.48±0.94a
	RE4	27.18±0.78c	26.97±0.86cd	30.29±1.01b	23.96±1.93b
	RE5	27.10±0.80c	25.73±0.42d	27.12±1.67c	26.18±1.54ab
	RE6	20.64±0.47d	18.90±1.08ef	20.46±0.99d	18.17±1.16cd
	RE7	20.91±0.37d	20.64±0.52e	20.19±0.99d	18.82±1.26c
	RE8	21.43±0.58d	17.59±0.67f	20.36±0.71d	14.79±0.69d

株系 Lines	5月15日 May 15th	6月15日 Jun. 15th	7月15日 Jul. 15th	9月15日 Sep. 15th
WT	42.60±0.97a	31.94±0.63a	34.94±0.63bc	39.27±1.28a
RE1	37.09±1.75bc	23.97±1.02d	31.37±0.90de	27.03±1.36c
RE2	33.55±0.93cd	26.60±1.47cd	31.73±1.09de	26.78±0.73c
RE3	32.27±0.78d	24.41±0.71d	30.65±0.81e	27.88±1.08c
RE4	35.41±0.92cd	24.77±0.65d	34.14±0.96cd	28.30±1.15c
RE5	40.68±0.93ab	25.60±0.67d	33.57±0.60cde	22.36±0.76d
RE6	41.49±1.54a	29.76±0.71ab	39.19±1.70a	39.87±2.39a
RE7	42.87±1.51a	28.72±0.95bc	37.51±0.83ab	36.43±1.02ab
RE8	41.35±2.57a	28.32±0.75bc	36.05±0.77bc	35.38±1.29b

株系 Lines	叶绿素a Chlorophyll a/（mg·g^-1）			叶绿素b Chlorophyll b/（mg·g^-1）			叶绿素a与叶绿素b比值 Ratio of Chlorophyll a to Chlorophyll b
株系 Lines	6月15日 Jun. 15th	7月15日 Jul. 15th	9月15日 Sep. 15th	6月15日 Jun. 15th	7月15日 Jul. 15th	9月15日 Sep. 15th	6月15日 Jun. 15th	7月15日 Jul. 15th	9月15日 Sep. 15th
WT	2.81±0.00ab	2.72±0.03a	2.81±0.00b	1.36±0.01b	1.22±0.04a	1.29±0.00c	2.07±0.02c	2.23±0.05d	2.19±0.00c
RE1	1.36±0.01f	1.58±0.01g	2.08±0.03e	0.19±0.00e	0.44±0.01f	0.67±0.03e	7.27±0.08a	3.56±0.01b	3.10±0.07a
RE2	1.66±0.01e	1.75±0.03e	2.66±0.02c	0.24±0.04e	0.68±0.06d	1.00±0.02d	7.24±1.26a	2.63±0.20c	2.67±0.04b
RE3	1.99±0.01d	1.36±0.02h	2.06±0.00e	0.76±0.03c	0.31±0.01g	0.63±0.01e	2.63±0.10bc	4.43±0.15a	3.25±0.03a
RE4	2.08±0.05cd	1.93±0.01d	2.55±0.02d	0.73±0.13c	0.54±0.00e	0.96±0.01d	3.08±0.61bc	3.58±0.00b	2.65±0.02b
RE5	2.17±0.10c	1.64±0.01f	2.64±0.05c	0.54±0.04d	0.38±0.01fg	1.20±0.14c	4.03±0.11b	4.31±0.09a	2.25±0.20c
RE6	2.91±0.01a	2.17±0.01c	2.65±0.05c	1.68±0.03a	0.86±0.01c	1.58±0.11b	1.74±0.04c	2.51±0.03cd	1.70±0.15d
RE7	2.71±0.06b	2.63±0.04b	2.98±0.01a	1.26±0.08b	1.08±0.04b	1.51±0.01b	2.16±0.09c	2.44±0.12cd	1.98±0.01c
RE8	2.79±0.03ab	2.71±0.01a	3.00±0.00a	1.32±0.07b	1.17±0.02a	2.03±0.03a	2.13±0.15c	2.32±0.02cd	1.48±0.02d