玉米SIAMESE-Related家族基因进化特征分析及候选基因功能鉴定

发布时间：2020-06-16 21:46

【摘要】：玉米是最重要的粮食作物之一,胚乳的发育对玉米产量有很大影响。胚乳细胞的内复制活动对细胞分化、籽粒建成以及环境胁迫响应具有重要意义,是影响籽粒发育的关键动力。前人研究结果表明SIAMESE-Related(SMR)基因是目前仅存在于植物之中的一类内复制调控因子,调控细胞由有丝分裂向内复制转换的过程,为探究玉米SMR(ZmSMR)基因家族的结构、进化等基本信息以及该家族在玉米内复制过程中的生物学功能,本文通过关键词搜索、序列比对和进化分析等常用生物信息学手段确定了玉米SMR基因家族成员并进行分析,并通过RT-qPCR技术对其在玉米中的组织表达特异性和在不同非生物胁迫下的表达模式进行了检测,并最终对其中的两个家族成员ZmSMR3和ZmSMR12进行了功能验证。主要结果如下:1、本文推定的12个ZmSMR蛋白序列中有已报道内复制相关的Motif,有调节植物内复制的功能。在种子胚乳发育的授粉后5-10天(DAP)和20-25 DAP期间该基因家族均有较高的表达水平,可能参与调控了此阶段的籽粒灌浆。15 DAP时ZmSMR基因家族成员可能通过低水平的表达量来减弱了对此时S期CDKA活性的抑制,进而调节了玉米胚乳细胞的倍性维持在较高的水平。此外,ZmSMR基因家族在玉米的根、节间、节和叶片中的表达特征呈现为多样性,但所有成员在雌穗和雄花中都有较高表达量,参与调节玉米生殖器官的生长发育。2、ZmSMR基因家族的成员对多种非生物胁迫的响应呈现多样性,且至少响应一种胁迫。ZmSMR11的转录水平除低温胁迫外,在其它胁迫条件下均比适宜条件下生长的对照高。ZmSMR10几乎在所有胁迫处理时基因表达量低于对照,只有在20%PEG胁迫24 h时有较为明显的上调,在提高玉米对非生物胁迫的耐受性贡献较少。ZmSMR1、ZmSMR2、ZmSMR8、ZmSMR9和ZmSMR11可能有助于提高玉米在高温环境的适应能力,从而助于玉米产量的提高。ZmSMR2还可以被盐胁迫和低温胁迫诱导表达,提高玉米对盐和低温胁迫的耐受性,而ZmSMR1和ZmSMR5可能在增强对盐和干旱胁迫的耐受性方面发挥重要作用。ZmSMR9和ZmSMR12都是在受到100 umol/L ABA和200mmol/L NaCl胁迫时基因表达上调,可以提高玉米对这两种非生物胁迫的耐受性。另外ZmSMRs是否响应非生物胁迫与是否含有对应的启动子元件有关。3、过表达ZmSMRs基因可提高拟南芥在8μmol/L ABA条件下的萌发率;过表达ZmSMR3可提高拟南芥在ABA条件下根生长的适应能力,而ZmSMR12过表达纯合体对ABA胁迫表现为敏感。另外过表达ZmSMRs影响拟南芥的营养生长和生殖生长,ZmSMR3和ZmSMR12过表达纯合体较野生型拟南芥株型变小、莲座叶数目减少、收获种子的长度和宽度均有极显著提高。过表达ZmSMR3和ZmSMR12也可极显著的提高拟南芥叶片的内复制水平,说明确实参与调控内复制进程。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513
【图文】：

序列,顺式作用元件,位置,启动子区

间、空间以及细胞特异性需要启动子区域中顺式个 ZmSMR 基因的上游 1.5kb 的序列提交到 Plantberry 中 RegSite 植物调控元件数据库，鉴定到了迫相关的顺式作用元件。图 2-1 显示 E2Fa / b 元9 和 ZmSMR11 的启动子区域内。在 8 个 ZmSMR录水平顺式作用元件(5'UTR Py-rich stretch)（表对基因的上调起重要作用。除 ZmSMR9 外，所有式作用调节元件（Skn-1_motif），从而表明 ZmS外，除了 ZmSMR1、ZmSMR7 和 ZmSMR10 外，其 19 个 MBS，该顺势作用元件参与调控盐或者干元件（LTR）分别在四个基因中被发现，但只有 Z有（表 2-5）。响应 ABA 的作用元件 ABRE 和 C检测到，表明这些基因可能参与对 ABA 应激的内复制的转录控制以响应和抵御外界环境变化

共线性,基因分析,物种,基因组

图 2-2 12 个 ZmSMR 基因的染色体分布及多个物种中相同和不同基因组间共线性 SMR 基因分析Fig.2-2 Chromosomal distribution of 12 ZmSMR genes and distribution of genome syntenic andintergenomic synteny SMR gene pairs in multiple species（a）染色体编号标注在每条染色体的顶部。每个基因在染色体上的位置值标记在染色体的右侧，单位为 mb。（b）分析的物种有玉米、水稻、高粱、二穗短柄草、狗尾草、毛果杨和大豆。它们的染色体由 Zmchr，Bdchr，Oschr，Sbchr，Sichr，Ptchr 和 Gmchr 代表。染色体大小的比例线也在图中被标出。(a)The chromosome number is indicated on the top of each chromosome. The value of the position ofeach gene on the chromosome is labeled on the right side of the chromosome bar, with unit of mb. (b)Analyzed specieshave maize, Brachypodium distachyon, Oryza sativa, Sorghum bicolor, Setaria italica,Populus trichocarpa and Glycine max. Their chromosomes are identified by Zmchr, Bdchr, Oschr, Sbchr,Sichr, Ptchr and Gmchr. The scale line of the chromosome size is also identified in the figure.

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