叶绿体基因表达与mRNA内含子剪切对苜蓿光合作用的影响研究

Chloroplast plays an important roles during plant growth and development and metabolism process. Correct expression of chloroplast genes is crucial for the structural integrity and function of chloroplast. Chloroplast gene expression is mainly regulated in post-transcription level, and the intron-splicing is one of the important processes. Many research has been carried out in the function of chloroplast gene expression and mRNA intron-splicing in growth and development, abiotic stress response and photosynthesis in Arabidopsis thaliana, whereas, there is no relevant report in alfalfa (Medicago sativa L.). In the present study, the wild Medicago sativa L. in Xinjiang and Medicago sativa.cv. Xinmu NO.4 will be used as materials. We will carry out experiment to determine the chloroplast structure and photosynthetic rate during different development. Chloroplast gene expression and mRNA intron-splicing pattern will be analyzed. One chloroplast gene will be cloned and transformed to Arabidopsis and the function of this gene will be determined. Thus, a better understanding can be achieved with the regulation mechanism of chloroplast genes expression and mRNA intron-splicing in photosynthesis in alfalfa, and it can also provide scientific and theoretical evidence for genetic breeding and productive practice of alfalfa.

叶绿体在植物的生长发育和代谢过程中起到核心作用，而叶绿体基因的正确表达是叶绿体结构完整性和行使功能的重要保障。叶绿体基因的表达主要是在转录后水平被调节，其中内含子剪切是非常重要的一种形式。关于叶绿体基因表达及mRNA内含子剪切在拟南芥生长发育、非生物胁迫响应和光合作用中的研究很多，但目前在苜蓿植物中的相关研究未见报道。本项目以新疆野生紫花苜蓿（Medicago Sativa L.）和新牧4号紫花苜蓿（Medicago sativa.cv. Xinmu NO.4）为研究材料，拟通过对这两种苜蓿在不同发育时期叶绿体显微结构的观察比较和光合速率的测定、不同发育时期叶绿体基因在转录水平及转录后水平的表达模式分析、叶绿体基因的克隆及功能验证等不同层面的比较与分析，初步阐明叶绿体基因表达与mRNA内含子剪切在苜蓿光合作用方面的功能, 为深入了解和利用苜蓿叶绿体基因及苜蓿遗传育种和生产实践提供理论依据。

光合作用是植物合成有机物的基础生理过程，提高光合作用效率是高产育种的重要途径之一。光合作用的场所在叶绿体，叶绿体在植物的生长发育和代谢过程中起到核心作用，而叶绿体基因的正确表达是叶绿体结构完整性和行使功能的重要保障。叶绿体基因的表达主要是在转录后水平被调节，其中内含子剪切是非常重要的一种形式。关于叶绿体基因表达及mRNA内含子剪切在拟南芥生长发育、非生物胁迫响应和光合作用中的研究很多，但目前在苜蓿植物中的相关研究未见报道。本项目以新疆野生紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、新疆野生黄花苜蓿(Medicago falcata L.)、新牧4号苜蓿(Medicago sativa cv. Xinmu NO.4)和和田大叶苜蓿(Medicago sativa cv. Hetiandaye)为研究材料，对苜蓿在不同生长发育时期（幼苗期、分枝期、开花期、结荚期）叶绿体显微结构进行观察比较和光合效率的测定，对不同生长发育时期苜蓿叶绿体基因在转录水平及转录后水平的表达模式进行检测和分析，对3个叶绿体基因进行克隆及序列分析，揭示不同生长发育阶段叶绿体结构和基因表达在苜蓿光合作用方面的功能。研究结果显示：不同生长发育时期苜蓿的叶绿体结构和光合效率存在差异且有一定的联系，4种苜蓿的净光合速率均在分枝期最高，开花期和田大叶的叶绿体数目多、长度长，净光合速率、叶绿素荧光Fv/Fm也高，说明苜蓿叶绿体结构与光合效率和生长发育时期紧密相关；叶绿体基因psaA、rbcL、ccsA、ndhA、ndhB、cemA、rpoA、ccsA、matK、atpB、rpoC1在和田大叶苜蓿结荚期的表达量明显低于前三个时期，accD、psbA、atpA、rpL23、trnA在三种苜蓿的不同发育时期表达量有明显差异，说明苜蓿叶绿体基因的表达与生长发育时期紧密相关；对和田大叶和新牧4号atpA、atpB及psbA 基因的克隆和序列分析显示，均为疏水性蛋白，不含信号肽，psbA有7个跨膜螺旋。研究结果为深入了解和利用苜蓿叶绿体基因及苜蓿遗传育种和生产实践提供理论依据。