棉花GAUT、GAE基因家族鉴定及其在纤维发育中的表达分析

发布时间：2020-06-03 07:44

【摘要】：棉花纤维细胞的发育主要包括初生壁的合成及次生壁的加厚。其中果胶组分的多少对纤维品质有重要影响,半乳糖基转移酶(GAUT)和葡糖醛酸异构酶(GAE)是果胶代谢途径上的关键酶,研究其在纤维发育过程中的作用具有重要意义。本研究从全基因组水平鉴定GAUT、GAE基因家族成员,结合课题组已有的棉纤维发育转录组数据,明确GAUT、GAE基因家族成员在棉纤维发育过程中的表达模式,主要研究结果如下:1.从陆地棉基因组中鉴定出46个Gh GAUTs家族成员,命名为Gh GAUT01-46,其中Gh GAUT45和Gh GAUT46位于没有组装到染色体的大片段上。从海岛棉基因组中鉴定出37个Gb GAUTs家族成员,命名为Gb GAUT01-37,其中Gb GAE37位于大片段上。(1)从基因在染色体上的分布来看,陆地棉Gh GAUT家族成员分布在20条不同的染色体上。其中A亚组的7号染色体和D亚组的7号染色体各有5个基因,分布数量最多。海岛棉Gb GAUT家族成员分布在18条染色体上,在Dt07有5个基因分布,其它染色体上只分布着1-3个Gb GAUT基因,部分基因的串联可能导致了该基因家族的扩张。根据系统进化,GAUT家族成员分为三个亚组,Ⅰ亚组、Ⅱ亚组和Ⅲ亚组分别含有26、21和36个GAUTs基因。Ⅰ亚组的多数基因包含10个外显子;Ⅱ亚组中的大多数成员包含9个外显子,Ⅲ亚组则以3个外显子居多。(2)陆地棉Gh GAUT家族成员编码的肽链平均由563个氨基酸组成,分子量大多介于28.36~84.82 k Da,平均64.62 k Da。理论等电点介于5.44~9.49,平均值为8.49;海岛棉Gb GAUT编码的肽链平均为570个氨基酸,分子量介于43.29~107.77 k Da,平均为65.48 k Da,平均分子量较陆地棉稍大。理论等电点为5.46~9.51,平均值为8.34,平均理论等电点较陆地棉稍小。多数GAUT成员为不稳定蛋白;所有的Gh GAUT和Gb GAUT均具有较高的脂溶性,为亲水性蛋白。(3)GAUT家族结构域有多个保守性的氨基酸残基,部分保守性氨基酸残基组成GAUT家族特有的保守基序。存在四个共同的保守基序,保守性较好;但又存在差异,可能正是由于这些氨基酸分布的差异,导致基因的功能发生了分化。亚细胞定位预测显示,除Gh GAUT45和Gh GAUT46蛋白定位在高尔基体(Golgi)外,其他所有Gh GAUTs和Gb GAUTs蛋白均定位在高尔基体膜(Golgi membrane)。蛋白跨膜区分析结果表明,约85%的Gh GAUT和68%Gb GAUT检测到1个跨膜区。(4)GAUT家族上游存在多种与纤维发育、光反应、激素调控、生物胁迫、非生物胁迫相关的顺式作用元件,表明GAUT基因家族功能的多样性。(5)根据棉纤维发育转录组数据,将GAUT家族基因表达分为:起始期高表达、纤维伸长期高表达、次生壁增厚期高表达、全时期低表达等4类表达模式。将优质陆地棉与品质一般陆地棉、优质海岛棉与优质陆地棉分别进行比较,分析在纤维发育相同时间点GAUT的表达差异,结果显示Gb GAUT34在起始期优势表达;Gh GAUT02、Gh GAUT12、Gh GAUT24、Gb GAUT10、Gb GAUT32在纤维伸长期优势表达;Gh GAUT25、Gb GAUT17、Gb GAUT19在起始期和伸长期均优势表达;Gb GAUT01、Gb GAUT05、Gb GAUT11等7个基因在次生壁增厚期优势表达;这些基因可能是导致优质陆地棉品种和优质海岛棉品种纤维品质优良的原因之一。2.从陆地棉和海岛棉基因组中分别鉴定出21个和22个GAEs家族成员,分别命名为Gh GAE01-21、Gb GAE01-22。其中Gh GAE02、Gh GAE14、Gb GAE11和Gb GAE20位于没有组装到染色体的大片段上。(1)从基因在染色体上的分布来看,陆地棉和海岛棉GAE家族成员分布在相同的12条染色体上。其中8号染色体上分布最多。在陆地棉中,At08和Dt08分别有4个Gh GAEs基因;在海岛棉中,At08和Dt08分别有4个和6个Gb GAEs基因,其他染色体只分布1-2个基因。根据系统进化分析,可以分为三个亚组,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ亚组分别包含17、8和18个基因。基因结构分析显示,GAEs家族约72%的成员没有内含子,这与拟南芥GAE家族成员均不含内含子的结果相似。(2)陆地棉Gh GAE家族成员编码的肽链平均由414个氨基酸组成,分子量介于24.87~50.32 k Da,平均45.93 k Da。理论等电点介于9.02~10.34,平均值为9.79;海岛棉Gb GAEs编码的肽链平均为426个氨基酸,分子量介于22.55~62.53k Da,平均为47.29 k Da,平均分子量较陆地棉偏大,且分子量分布范围较宽。理论等电点为9.01~9.98,平均值为9.67,与陆地棉相差不大。GAE家族成员多数为不稳定蛋白;所有的Gh GAEs和Gb GAEs均具有较高的脂溶性,且全部为亲水性蛋白。(3)保守结构域分析表明,GAE家族结构域含有多个保守性的氨基酸残基,部分保守性氨基酸残基组成GAE家族特有的保守基序。21个Gh GAEs和22个Gb GAEs基因有4个相同的保守基序,保守性较强;但基因间又存在一定的差异,这些差异可能是导致基因功能发生分化的主要原因。亚细胞定位预测显示,所有Gh GAEs和Gb GAEs蛋白均定位在高尔基体膜(Golgi membrane)。蛋白跨膜区分析结果表明,除Gh GAE12、Gb GAE05、Gb GAE06、Gb GAE17、Gb GAE18、Gb GAE22没有检测到跨膜区外,其余家族成员均含有1-2个跨膜区,而Gh GAE01、Gh GAE11、Gb GAE11包含3个跨膜区。(4)GAE家族上游存在多种与纤维发育、光反应、激素调控、生物胁迫、非生物胁迫相关的顺式作用元件,表明GAE基因家族功能的多样性。(5)根据棉纤维发育转录组数据,可以将GAE家族成员的表达分为:起始期高表达、纤维伸长期高表达、次生壁增厚期高表达、全时期低表达等4类表达模式。将优质陆地棉与品质一般陆地棉、优质海岛棉与优质陆地棉分别进行比较,Gh GAE10、Gb GAE08、Gb GAE10在纤维伸长期优势表达;Gh GAE11、Gh GAE19在次生壁增厚期优势表达;Gh GAE08、Gb GAE06在纤维伸长和次生壁增厚期均优势表达;Gb GAE07在纤维起始和次生壁增厚阶段优势表达,推测这些基因的优势表达是引起优质陆地棉品种和优质海岛棉品种纤维品质优良的的重要基因。综上,本研究明确了陆地棉与海岛棉中GAUT、GAE基因家族成员的基本信息,分析了GAUT、GAE基因在纤维发育不同时间点的表达规律,挖掘出对棉纤维发育有重要影响的候选基因。上述结果为研究GAUT、GAE基因家族在棉纤维发育中的功能奠定了重要基础。
【学位授予单位】：河北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S562

【参考文献】