棉花CIN类TCP蛋白的生物信息学分析及其在棉酚腺体分化中的功能鉴定

发布时间：2020-04-29 07:47

【摘要】：TCP(TEOSINTE-BRANCHED1/CYCLOIDEA/PCF)转录因子是植物特有的一类转录因子家族,含有保守的TCP结构域。该结构域是由60个氨基酸组成的bHLH结构,是DNA结合与蛋白间互作所必需的。TCP转录因子广泛参与调控植物生长发育过程,如调控拟南芥叶片、花发育、种子萌发等过程,同时也能够调控棉花纤维伸长。棉花(Gossypium)是一种重要的经济作物,其产生的棉纤维是纺织行业中使用最多的天然纤维,在国民经济中占有举足轻重的地位。二倍体棉种雷蒙德氏棉、亚洲棉以及异源四倍体棉种陆地棉、海岛棉基因组测序的完成,为全面鉴定棉花TCP基因家族成员提供了良好的机会。目前TCP转录因子家族在棉花中研究报道还比较少,因此全面鉴定棉花中TCP基因家族成员以及对其进行相应的功能研究具有重要意义。本研究对异源四倍体棉种陆地棉和海岛棉中各自的TCP基因家族成员进行全面鉴定,并在此基础上,对陆地棉、海岛棉TCP转录因子家族成员分类、染色体上的分布特征、不同组织表达水平等方面进行了分析;利用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS),沉默陆地棉多数组织中优势表达的基因GhTCP2A/2D、GhTCP24A/24D和GhTCP3A/3D的表达,研究其功能及作用机制。主要结果如下:1陆地棉和海岛棉TCP蛋白家族成员的鉴定和进化分析以雷蒙德氏棉和亚洲棉的TCP蛋白序列为参考,在陆地棉和海岛棉蛋白数据库中对两者的TCP蛋白家族成员进行鉴定,最终在陆地棉和海岛棉基因组中,分别鉴定得到73和69个编码TCP转录因子的基因。在这四个棉种中,亚家族Ⅰ类成员数目最多,占到60%以上;亚家族Ⅱ类中,CYC/TB1簇成员数目最少,且CIN簇成员数目是CYC/TB1簇成员数目的2倍。对雷蒙德氏棉、亚洲棉、陆地棉和海岛棉TCP蛋白家族成员对比分析,最终得到40个棉花TCP参考蛋白,应用MEGA 6.0软件对棉花TCP转录因子家族成员进化分析。结果显示,棉花TCP转录因子家族可以分为A-G共7簇。2 TCP家族基因在棉花基因组中的分布以雷蒙德氏棉TCP基因在染色体上的分布情况为参照,应用MapInspect软件对陆地棉和海岛棉TCP基因在染色体上的分布情况进行分析,陆地棉和海岛棉TCP基因在染色体上的分布情况大致相同。TCP基因除了在四倍体棉花的6号染色体上没有分布外,其余染色体上均有TCP基因的分布,12号染色体上TCP基因分布最多。3 TCP基因在棉花中的表达模式检测对陆地棉和海岛棉不同叶龄期CIN类TCP基因的表达水平进行检测,发现CIN类TCP基因在这两大四倍体棉种中的表达水平无明显变化。同时本论文关注的基因TCP2A/2D、TCP24A/24D伴随着叶片发育两者表达水平变化趋势相反,而TCP3A/3D表达水平基本无变化。对陆地棉CIN类TCP基因家族所有成员在各组织中的表达模式进行Heatmap分析,结果显示,与CIN类其它基因的表达水平相比,GhTCP2A/2D、GhTCP24A/24D和GhTCP3A/3D的表达在陆地棉多数组织中优势表达。同时,选取陆地棉5个组织(根、茎、叶、花瓣以及开花后5天纤维),对CIN类TCP基因的表达水平进行检测,发现叶片和花瓣中的表达水平均高于其它组织。4基因沉默植株叶片腺体数量增多在棉花植株中利用VIGS技术沉默GhTCP2A/2D、GhTCP24A/24D和GhTCP3A/3D的表达。发现当GhTCP2A/2D、GhTCP24A/24D表达水平降低后,棉花成熟叶片腺体数量明显增多;当GhTCP3A/3D表达水平降低后,棉花叶片卷曲,但叶片腺体数量无明显变化。酵母双杂交实验表明,GhTCP2A能够与棉花腺体形成关键转录因子GoPGF发生相互作用。5 TRV:GhTCP2A棉花植株叶片转录组分析对基因GhTCP2A/2D表达水平降低的植株进行转录组测序,发现表达水平明显变化的下游基因包括激素转导途径基因。进一步分析发现,茉莉酸JA合成酶基因表达明显上调,幼嫩叶片茉莉酸含量升高,这可能是棉花叶片腺体数量增加的原因。基于以上研究结果,本试验一共得到40个棉属TCP参考基因;同时发现GhTCP24A/24D是棉花叶片腺体分化的负调控因子。
【图文】：

序列,转录因子,比对分析,结构域

图 1.1.1 拟南芥 TCP 转录因子家族 TCP 结构域比对分析 (Martin-Trillo and Cubas, 2010)Figure 1.1.1 Alignment of TCP sequences of Arabidopsis TCP family (Martin-Trillo and Cubas,2010)1.1.3 TCP 基因家族的生化功能Kosugi等发现，当破坏TCP结构域后，TCP转录因子就无法结合下游基因。因此，TCP结构域是TCP蛋白调控下游基因保守且必须的(Kosugi and Ohashi, 1997)。两大亚家族成员结合DNA位点序列不同但有部分重叠，其中I类蛋白结合位点序列：GGNCCCAC(Kosugi and Ohashi, 2002) ， II 类蛋白结合位点序列：GTGGNCCC(Masuda et al., 2008)。当然也有例外，I类TCP蛋白成员AtTCP15会间接调控由CIN家族成员调控的基因的表达(Koyama et al., 2010)；茉莉酸JA合成酶基因LIPOXYGENASE2(LOX2)，存在AtTCP20 (I类)和AtTCP4 (II类)共同的靶标结合位点(Schommer et al., 2008; Danisman et al., 2012)。因此两类TCP转录因子特异结合序列并不是绝对的，，两者的结合可能存在竞争关系。研究显示，TCP 蛋白对下游基因兼具转录激活作用和转录抑制作用。两大亚家族都包含转录激活因子，如I类AtTCP20对基因CYCB1有转录激活作用(Li et al.,

功能图,植物发育,家族,进程

家族调控植物发育因在叶片发育中的功能芥 24 个 TCP 家族成员被鉴定出来以后，TCP 基因家族能作用越来越多地被揭示，它们广泛参与调控叶片花育，花色素合成以及植物体内信号转导途径等（图 1.1 类和 II 类 TCP 基因家族成员在调控植物生长发育方面家族成员会竞争性结合序列相似的顺势作用元件(Li, 族中 CIN 类型的 TCP 基因在叶片发育调控网络中有重现 CIN 基因时，发现将其突变，会出现叶片边缘细胞生褶皱表型(Nath et al., 2003)。拟南芥 CIN 类基因家族2、3、4、5、10、13、17 和 24。拟南芥 jaw-D 突变体中基因 AtTCP2、3、4、10 和 24 可被其识别并降解，降），导致该突变体呈现出叶片变大、褶皱、边缘锯齿状
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S562

【参考文献】