甘蓝型油菜中调控根系发育GRAS和ARF基因的鉴定

发布时间：2020-05-09 16:06

【摘要】：根系是植物的重要器官,对作物抗倒伏、水分和营养物质的吸收和运输均非常重要,因而对作物生产非常重要。油菜是我国第一大油料作物,其根系为直根系,但是主根较短、入土较浅,根系通常不发达。GRAS和ARF转录因子是植物特有的两类转录因子基因家族,均对植物根系发育具有重要的调控作用。例如,拟南芥GRAS基因家族成员SCR和SHR参与调控根内皮层细胞的不对称分裂,ARF基因家族成员AtARF8参与调节根的生长。因此,筛选油菜基因组中调控根系发育的GRAS和ARF转录因子基因,对后续深入解析候选基因调控油菜根系发育的分子机制,提高油菜的营养高效利用、增加产量等均有重要意义。本研究首先利用生物信息学的方法在全基因组水平鉴定了油菜基因组中的GRAS和ARF基因家族成员,对候选基因的序列特征、系统进化、亚家族划分、复制机制、蛋白互作等进行了系统分析;并结合油菜RNA-Seq数据和qRT-PCR技术,筛选了其中参与油菜根系发育的候选基因。本研究的结果为今后深入研究候选GRAS和ARF基因调控油菜根系发育的分子机制及其对油菜养分吸收等的作用奠定了基础。本研究的主要研究结果如下:1.甘蓝型油菜GRAS基因家族的全基因组分析及调控根系发育相关基因的鉴定在甘蓝型油菜基因组中共鉴定了90个的GRAS基因(BnGRASs);系统发育分析将其划分为13个亚家族。除了A_n亚基因组中的4个基因和C_n亚基因组中的13个基因的染色体物理位置尚不清楚外,其余BnGRASs基因不均匀分布在19条染色体上。序列特征分析显示,60%的BnGRASs基因没有内含子插入,并且在他们的N末端发现了24个保守的氨基酸基序;GRAS保守结构域位于的BnGRAS蛋白的C末端,相较于其它转录因子基因家族,该结构域在整个家族中的保守性较低,但在各个亚家族中则高度保守。共性性分析结果表明,白菜(Brassica rapa)和甘蓝(Brassica oleracea)之间的异源加倍是导致油菜基因组(异源四倍体)中BnGRASs基因大量扩增的主要原因,并且油菜中倾向于保留来源于白菜的GRAS基因。互作蛋白预测分析共鉴定到了889对互作蛋白,他们主要是涉及转录调节和信号转导的转录因子。RNA-Seq分析结果表明,大多数BnGRASs在油菜不同阶段的不同组织和器官中广泛表达,其中有25个BnGRASs基因在根中优势或特异表达。激素诱导RNA-Seq数据分析结果表明,部分BnGRASs基因在根中的表达谱可能受激素的诱导上调或下调表达。qRT-PCR分析证明,来自于SCR和LISCL亚家族的3个BnGRASs可能在油菜根系抗逆反应中起重要作用。对26个藻类、苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物的代表物种中的GRAS基因家族进行综合比较分析表明,该基因家族可能起源于陆地植物起源早期,该基因家族在陆生植物界可以划分为19个亚家族,其中14个亚家族起源较早、起源于苔藓植物之前。miRNA预测结果显示,陆地植物HAM亚家族含有一个高度保守的miRNA 171靶序列,表明这类miRNA可能对该类GRAS基因的功能具有重要且保守的调控作用。2.甘蓝型油菜ARF基因家族的全基因组分析及调控根系发育相关基因的鉴定在甘蓝型油菜基因组中共鉴定到了67个ARF基因(BnARFs),并将他们划分为4个亚家族(I-IV)。除C02染色体之外,61个BnARFs基因分布在18条染色体上,其余6个基因的染色体物理位置目前尚不清楚。序列特征分析显示,油菜ARF蛋白(BnARFs)的全长序列均很保守,尤其在亚家族之间高度保守。所有ARF成员都包含N末端DNA结合结构域(DBD)和中间区域(MR),大多数成员包含C末端二聚化结构域(PBI);其中21个BnARFs成员的MR区域富含谷氨酰胺,可能是一种激活子。内含子插入模式在每个亚家族或进化分支中较保守,尤其在DBD和PBI结构域中高度保守。miRNA预测分析结果显示,亚家族III和IV中的几个成员可能含有miRNA167/160的靶位点。在BnARFs基因的启动子序列中鉴定了许多参与植物激素、光信号反应、生物/非生物胁迫的顺式调控元件,暗示该类基因可能响应这些生物学过程。互作蛋白预测分析显示,大多数BnARFs蛋白可能与生长素/吲哚-3-乙酸(Aux/IAA)相关蛋白相互作用,而且不同亚家族的成员通常共享许多互作蛋白。白菜和甘蓝之间的异源加倍(WGD)和染色体片段复制是油菜基因组中ARF基因扩增的主要驱动力,并且WGD事件后偏向于保留来源于白菜的基因。RNA-Seq数据分析结果表明,BnARFs基因在油菜不同发育阶段的营养器官和生殖器官中具有广泛的表达谱,其中有30个基因在根中优势或高表达。基因的表达模式在A_n和C_n亚基因组之间没有明显差异;大多数复制基因具有相似的表达模式,表明他们的功能冗余。激素诱导RNA-Seq数据分析结果表明,BnARFs基因对外源IAA和6-BA处理较敏感,尤其是亚家族III的成员。qRT-PCR实验证明,12个候选BnARFs基因在外源IAA和6-BA处理下明显上调或下调表达,表明他们可能参与油菜根系发育和激素应答过程。
【图文】：

谱系,植物物种,转录因子,基因家族

图 1-1 GRAS 转录因子在不同植物物种中的演变[92]Fig. 1-1 Evolution of GRAS TFs among different plant species多物种 GRAS 基因家族进化分析表明，GRAS 蛋白在真菌和低等植物没有被发现，而出现在早期陆地植物苔藓中(小立碗藓，Physcomitrella patens)(图 1-1)。并且 GRAS 蛋白可能随着低等植物向高等植物的分化而扩大，这些 GRAS 蛋白与高等植物进化密切相关[92]。Cenci A 和 Rouard M 使用同源分组分析了被子植物中GRAS 基因家族的进化[95]，结果表明在无油樟(Amborella trichopoda)进化分裂之前的被子植物谱系中存在至少 29 个 GRAS 祖先基因，在一些分类群体中缺少一个或多个 GRAS 祖先基因，并且在有限 GRAS 基因数量的正交基因组中可检测到真双子叶植物祖先的基因组三倍化事件。1.3 ARF 基因家族的研究进展1.3.1 ARF 基因家族的定义及结构生长素响应因子(ARF)是一类生长素应答因子，通过选择靶基因并赋予生长素特异性响应。他们与生长素调节基因启动子中的生长素应答 DNA 元件(AuxRE)结合，并根据蛋白质中间的特定结构域激活或抑制这些基因的转录。ARF 蛋白通常

模型图,生长素,拟南芥,和信号

图 1-2 拟南芥中 ARF 蛋白的生长素感知和信号传导的模型[133]Fig. 1-2 Model of auxin sensing and signal transduction of ARF protein in Arabidopsis thaliana1.3.3 ARF 基因家族的起源与进化由于可获得的植物基因组数据的增加，在许多物种中 ARF 基因家族在全基因组水平上得到系统鉴定。例如，在拟南芥中鉴定出了 23 个基因(AtARFs)[126]；在番茄中鉴定出了 22 个基因[138]；在苜蓿中鉴定出了 24 个基因[139]；在白菜中鉴定出了31 个基因[140]；在玉米中鉴定出了 31 个基因[141]；在水稻中鉴定到了 25 个基因[142]。并且分别从序列特征、miRNA 调控和基因表达进行了系统的阐述。这些研究为 ARF基因的进化和功能分析提供了有价值的基础信息。Cédric Finet 等[143]人对陆地代表植物的 ARF 基因进行了进化分析，，其中包括水生植物、苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物。结果表明，在最近的水生近缘植物几种轮藻中没有检测到 ARF 结构域，但在苔藓植物中被检测到，可见 ARF 基因可能起源于陆地植物早期。另外现存陆地植物的祖先中至少有一个 ARF 激活子和一个 ARF 抑制子基因。复制事件分析发现，在 ARF 基因家族中发现的复制模式与
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q943.2

【参考文献】