玉米醇溶蛋白基因的分子进化及其转录因子Opaque2的转录与转录后调控机理

发布时间：2020-04-11 22:31

【摘要】：玉米是世界上最主要的粮食作物之一,其驯化已经持续了 9000年。醇溶蛋白是玉米种子中最主要的贮藏蛋白,但由于赖氨酸和色氨酸等必需氨基酸的缺乏,限制了玉米的营养品质。玉米的Opaque2(02)基因突变能够降低醇溶蛋白含量,增加赖氨酸水平,但也会引起胚乳粉质,出苗力弱,感虫,感病等不利表型。经过育种家的不断改良和选育,最终获得了含有o2修饰因子(mo2)的优质蛋白玉米(Quality protein maize,QPM)。QPM兼具高营养和硬质胚乳的特性,但种质资源匮乏,育种难度大。因此,阐明02和mo2基因在种子发育过程中的调控机理具有重要意义。对60个栽培玉米和野生种的6个z2醇溶蛋白基因的多态性和单倍型进行检测。发现6个z2基因的单倍型均呈现不均匀分布,而野生种具有更为丰富的遗传多样性,并且在6个基因中z2δ18的多态性最高,z2γ15最低,说明其在种子进化过程中具有不同的作用。序列的插入缺失(indel)不仅能引起串联重复多态性,同时也会导致移码突变,而使其可作为缺失突变体。另外,中性进化检验、系统发育和群体结构分析表明,z2δ10和z2γ50在进化过程中受到了自然选择,z2γ27和z2γ16也具有自然选择的印记,而z2δ18和z2β315则倾向于中性进化。这些结果表明,在玉米驯化过程中,玉米富硫醇溶蛋白亚群的遗传多样性和进化与环境变化相适应。玉米醇溶蛋白基因属于胚乳特异性表达基因,为进一步了解玉米醇溶蛋白基因的表达调控机制,对z2的DNA甲基化进行分析。结果表明,z2基因启动子及基因本体区域的高DNA甲基化可抑制基因的表达,而基因本体区域的中等程度的DNA甲基化却有利于基因的表达。另外,z2δ以0,z2δ18和z2y50受到DNA甲基化的调控,而z2β15,z2γ16和z2γ27则与DNA甲基化关系不大,可能受其他基因或转录因子的转录调控,表明z2基因的表达具有不同的调控机制。胚乳特异性转录因子02对玉米籽粒的发育至关重要。醇溶蛋白基因在授粉后5-10天开始转录,15天左右达到峰值。除z2γ16外,醇溶蛋白基因在野生型中的表达比o2突变体中高,同时在o2突变体中非醇溶蛋白合成量上升,表明存在一套平衡互补机制,使籽粒总蛋白量保持稳定状态。为更全面地获取02的调控网络,利用基因组预测、ChIP-Seq以及RNA-Seq数据对02的调控基因进行鉴定。共发现274个受02直接调控的基因,除了启动子区域,在基因的外显子、内含子、转录终止位点(Transcription terminal site,TTS)以及基因间区也发现了 O2的结合痕迹。O2的靶标基因包括转录因子及激酶相关基因,不仅可以进一步调控下游基因的表达,也能参与多种胁迫响应。另外,O2除了激活基因的表达,对一些基因也具有抑制效应。利用非标蛋白定量技术(Label-free quantification,LFQ)对玉米野生型、o2突变体以及QPM的差异表达蛋白进行了鉴定,其中在QPM中鉴定到恢复表达的蛋白66个,可能对硬质籽粒的形成具有重要影响。加权基因共表达网络分析(Weighted correlation network analysis,WGCNA)和功能研究显示,棕色和蓝色模块所涵盖的蛋白主要涉及能量和蛋白代谢,以及蛋白修饰,与醇溶蛋白含量,籽粒硬度,病虫害抗性以及发芽力等表型存在显著关联。蛋白修饰分析结果表明,贮藏蛋白的乙酰化和磷酸化可能对种子的发育和萌发具有调控作用。转录组和蛋白组联合分析进一步表明,野生型能够正常表达的抗性相关基因在o2突变体中出现了差异表达,但植物体在响应外界胁迫过程中往往需要多种抗性蛋白的协同作用,导致o2突变体表现为易感病虫害。尽管o2突变导致大量胁迫响应基因以及核糖体相关基因在转录水平的差异表达,但大部分转录本并没有引起蛋白水平的变化,表明转录后调控发挥了重要作用。本研究揭示了栽培玉米驯化过程中的环境适应性情况,通过多组学方法构建了 O2的调控网络,揭示了O2转录因子的转录和转录后调控机理,丰富了复杂的QTL基因的研究内容,挖掘了一些可能与mo2相关的关键基因,为我国玉米高产育种目标提供理论基础,并为加快高产、优质玉米分子育种进程提供重要的基因资源信息。
【图文】：

玉米种（ａｎｎｕａｌ邋ｓｐｅｃｉｅｓ邋Ｚ．ｗａｊｓ）。包含四个亚种，分别是被统称为大刍草或墨西逡逑哥类蜀黍（ｔｅｏｓｉｎｔｅ）的邋３邋个亚种：ｓｓｐ．邋ｗｅｘｚａｗａ，ｓｓｐ．／＾ａｒｖ／ｇ／ｗ／ｗ／＾ｓ？和邋ｓｓｐ．逡逑以及我们所熟知的驯化的栽培玉米ｓｓｐ．邋ｗａｙ邋（Ｈｕｆｆｏｒｄｅｔａｌ．，２０１２ａ）（图１．１）。逡逑？逦１逦Ｔｒｉｐｓａｃｕｍ邋ｄａｃｔｙｌｏｉｄｅｓ逡逑山逦Ｚｅａ邋ｎｉｃａｒａｇｕｅｎｓｉｓ逡逑＿逦（逦ｒＣ＝－逡逑ｉｊ逦Ｚｅａ邋ｌｕｘｕｒｉａｎｓ逡逑ｒ逦１逡逑逦—逦Ｉ邋—邋Ｚｅａ邋ｄｉｐｌｏｐｅｒｅｎｎｉｓ逡逑逦口邋｜邋二邋Ｚｅａ邋ｐｅｒｅｎｎｉｓ逡逑＾逦Ｌ［＾逦￣邋Ｚｅａ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｈｕｅｈｕｅｔｅｎａｎｇｅｎｓｉｓ逡逑ｓ，逦邋逦逦逡逑＇￣￣｜＿ｊ逦￣逦Ｚ６ｃｒ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｍ＾ｘ／ｃａｎｃｒ逡逑Ｐ邋１邋ｒ……．．逦￣邋Ｚｅａ邋ｍａｙｓ邋ｓｓｐ．邋ｐａｒｗｉｇｌｕｍｉｓ逡逑Ｊ逡逑图１．１基于玉米基因组约１０００个单核苷酸多态性位点（ＳＮＰｓ）构建的系统发育树（Ｈｕｆｆｏｒｄｅｔａｌ．，逡逑２０１２ａ）0逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｐｈｙｌｏｇｅｎｖ邋ｏｆ邋Ｚｅａ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ａｂｏｕｔ邋１０００邋ＳＮＰｓ邋ｆｒｏｍ邋ａｃｒｏｓｓ邋ｔｌｉｅ邋ｇｅｎｏｍｅ邋（Ｈｕｆｆｏｒｄ邋ｅｔ邋ａｌ．？邋２０１２ａ）．逡逑玉米的近缘野生种墨西哥类蜀黍（ｔｅｏｓｍｔｅ）和玉米野生种具有广泛的地理和气候（温逡逑度和降水等）分布。类玉米栖息地占据广泛，，踪迹由墨西哥北部延伸到中美洲，是这些地逡逑区所特有的以异型杂交为主的玉米种

ｆｒｏｍ邋Ｄｏｅｂｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（１９９７）邋ａｎｄ邋Ｗａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（２００５）．逡逑控制玉米籽粒外壳的丨ｇａ７邋（ｔｅｏｓｉｎｔｅｇｌｕｍｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｌ）基因是玉米驯化中将籽粒从逡逑垞先外壳中脱离的关键基因。大刍草的籽粒被包裹在坚硬的外壳之中（图１．２Ｂ，邋Ｄ），即逡逑使果实遭受捕食并通过了动物的消化道，果核也能免于损伤，保障了种子的有效传播；逡逑而玉米籽粒则直接裸露于果穗之上，相对柔软且易于取用（图１．２Ａ）；含有玉米／ｇｄ等逡逑位基因的大刍草种子外壳变小，籽粒暴露在果穗的表面（图１．２Ｃ）。相反，含有大刍草坎逡逑等位基因的玉米种子则会引起颖片和外壳变大（图１．２Ｅ）邋（Ｄｏｒｗｅｉｌｅｒ邋ａｎｄ邋Ｄｏｅｂｌｅｙ，邋１９９７）。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513


本文编号：2623920