铁皮石斛NAC转录因子家族全基因组鉴定与NAC-DNA结合机制研究及FCA基因的表达分析

发布时间：2020-06-09 16:10

【摘要】：NAC转录因子家族广泛分布于各类植物中,参与调节植物的生长、发育,从胚胎发生到衰老各个阶段,响应植物对环境影响的非生物胁迫,以及多种应激反应。本研究以铁皮石斛基因组为基础,利用生物信息学的方法对铁皮石斛NAC转录因子家族进行了全面的鉴定,共发现118个DoNAC成员,去冗余后剩91个DoNAC。系统发育树分析显示该基因家族可分为7个族;对其所有成员基因结构和蛋白序列保守性进行分析,发现其蛋白序列在N-末端NAC结构域部分保守。启动子分析发现,该基因家族启动子区存在响应非生物胁迫位点、激素响应位点、蛋白结合位点和与生物功能相关的结合位点。表达分析表明30个DoNAC基因参与了铁皮石斛的种子萌发、原球茎发生和转变,其中16个表达较明显。通过同源建模构建9个AtNAC成员(AtNAC025、AtNAC043、AtNAC046、AtNAC055、AtNAC058、AtNAC080、AtNAC083、AtNAC092、NTL9)的蛋白质三维结构,通过分子对接和分子动力学模拟研究NAC与DNA特异结合过程。复合物分析表明,9个不同功能的NAC蛋白具有相似的结合模式,主要通过C亚域的第二个?折叠与DNA分子的大沟发生相互作用。DNA和NAC结合会影响复合物整体的稳定性。NAC和DNA相互作用能的分解发现,同一NAC在与不同DNA结合时作用方式相似,同时发现A亚域会降低NAC与DNA的结合能力。NAC结构域中主要以C、D、E三个亚结构域与DNA形成非键作用。对DoFCA的研究中发现,DoFCA基因开放阅读框为2,301bp,包含19个外显子,18个内含子,编码766个氨基酸残基的蛋白,在N-端(131-210、220-298)有两个RRM结构域,C-端(605-634)存在一个WW结构域。启动子分析发现,该基因启动子区存在与分生组织特异激活、胚乳表达、花药特异基因的表达调控密切相关的调控元件。系统发育分析显示FCA蛋白在单子叶和双子叶植物进化过程中出现了分化。表达模式分析表明该基因对于与铁皮石斛的花的发生和形成可能具有重要作用;在低温诱导开花过程中也发挥作用。
【图文】：

系统发育进化树

发现该蛋白和黄腾 NAC3（KU556738.1）蛋白一致性达到 72.63%。构建 AtNAC、OsNAC、DoNAC 三个物种系统发育进化树，最佳氨基酸替换模型与 DoNAC 一致；比较 NAC 转录因子在这三个物种中的聚类情况。根据进化关系的远近，348 条 NAC 蛋白可分为 13 个族（图 2-2），其中 groupⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅹ成员丰富，groupⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ中存在多个亚族，其可能存在功能上的冗余；而 groupⅫ和 XIII 只有拟南芥 NAC 蛋白，这两族的分支可信度均大于 90%，结果表明 groupⅫ和 XIII 确为拟南芥特有 NAC 蛋白分支；groupⅤ中只存在 OsNAC 和 DoNAC 成员，该族可能为单子叶植物所特有；groupⅠ包含成员最多，可再细分为 4 个亚族，部分亚族只存在 AtNAC 或者OsNAC，说明 DoNAC 可能在铁皮石斛的进化过程中出现部分功能缺失。其他 9族分支均包含 AtNAC，OsNAC 和 DoNAC 成员，表明这 9 族 NAC 蛋白在物种间具有相似功能。所有分类中没有发现铁皮石斛特异分支，表明 DoNAC 在进化过程中并没有出现功能特异蛋白。

基因组序列,系统进化树,基因结构

图 2-2AtNAC、OsNAC 和 DoNAC 系统进化树2.2.3 DoNAC 基因结构及蛋白序列保守性分析利用转录组数据对部分 DoNAC 基因结构进行校正，根据铁皮石斛基因组序列，基因注释文件，绘制 DoNAC 基因结构图；使用 MEME 在线软件对 DoNAC蛋白序列保守性进行分析，依据系统发育进化树分析结果，查找 13 个基序；最后使用 ML 系统发育进化树对结果进行聚类（图 2-3）。基因结构显示， DoNAC 成员均包含内含子，普遍有 3-6 个；个别基因跨度较大。聚类发现，相似 DoNAC 基因的剪接方式并没有较大的关联，剪接方式并不一致。DoNAC 蛋白保守性分析发现，每个分组都具有相似的保守基序。绝大多数DoNAC 蛋白都具有 motif1-6，分析发现 motif 1 为 NAC 亚域 A，motif 2 为亚域B，motif 3 为亚域 C，motif 4 和 motif 5 共同组成亚域 D，motif 6 为亚域 E。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S567.239

【相似文献】